RESEARCH ARTICLE

Tuning of the active phase structure and hydrofining performance of alumina-supported tri-metallic WMoNi catalysts via phosphorus incorporation

  • Shufeng Shan 1 ,
  • Haiyan Liu , 1 ,
  • Gang Shi 1 ,
  • Xiaojun Bao 2
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Heavy Oil Processing, China University of Petroleum, Beijing 102249, China
  • 2. State Key Laboratory of Energy & Environmental Photocatalysis, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China

Received date: 06 May 2017

Accepted date: 19 Sep 2017

Published date: 26 Feb 2018

Copyright

2018 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature

Abstract

The effects of phosphorus on the structure and hydrofining performance of tri-metallic WMoNi/Al2O3 catalysts prepared with W/Mo-based hybrid precursor nanocrystals were investigated. The incorporation of phosphorus weakened the metal-support interactions (MSIs) and facilitated the formation of more synergetic NiWMoS phases with higher stacks. Catalytic tests using a fluid catalytic cracking diesel fuel showed that the changes in the MSIs and the morphology of the active phases had a more positive effect on the hydrodenitrogenation activity than on the hydrodesulfurization activity. In contrast, when phosphorus was incorporated into a tri-metallic WMoNiP/Al2O3 catalyst prepared by a conventional incipient impregnation method, the MSIs decreased causing aggregation of the metal species which resulted in poorer hydrofining performance of the catalyst. These results show that incorporating phosphorus into a WMoNi/Al2O3 catalyst can finely tune the structure of the active phase to enhance the hydrogenation and hydrodenitrogenation activity of the resulting tri-metallic catalyst.

Cite this article

Shufeng Shan , Haiyan Liu , Gang Shi , Xiaojun Bao . Tuning of the active phase structure and hydrofining performance of alumina-supported tri-metallic WMoNi catalysts via phosphorus incorporation[J]. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2018 , 12(1) : 59 -69 . DOI: 10.1007/s11705-017-1686-3

Acknowledgements

We gratefully acknowledge the support from the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. U1462203 and 21106182).
1
Chen W, Maugé  F, van Gestel J,  Nie H, Li  D, Long X. Effect of modification of the alumina acidity on the properties of supporperties of supported Mo and CoMo sulfide catalysts. Journal of Catalysis, 2013, 304: 47–62

DOI

2
Zepeda T A, Pawelec  B, Obeso-Estrella R,  Díaz de León J N, Fuentes S,  Alonso-Núñez G,  Fierro J L G. Competitive HDS and HDN reactions over NiMoS/HMS-Al catalysts: Diminishing of the inhibition of HDS reaction by support modification with P. Applied Catalysis B: Environmental, 2016, 180: 569–579

DOI

3
Díaz de León J N,  Zepeda T A,  Alonso-Nuñez G,  Galván D H,  Pawelec B,  Fuentes S. Insight of 1D γ-Al2O3 nanorods decoration by NiWS nanoslabs in ultra-deep hydrodesulfurization catalyst. Journal of Catalysis, 2015, 321: 51–61

DOI

4
Furimsky E, Massoth  F E. Hydrodenitrogenation of petroleum. Catalysis Reviews. Science and Engineering, 2005, 47(3): 297–489

DOI

5
Pawelec B, Navarro  R M, Campos-Martin  J M, Fierro  J L G. Towards near zero-sulfur liquid fuels: A perspective review. Catalysis Science & Technology, 2011, 1(1): 23–42

DOI

6
Stanislaus A, Marafi  A, Rana M S. Recent advances in the science and technology of ultra low sulfur diesel (ULSD) production. Catalysis Today, 2010, 153(1-2): 1–68

DOI

7
Cervantes-Gaxiola M E,  Arroyo-Albiter M,  Pérez-Larios A,  Balbuena P B,  Espino-Valencia J. Experimental and theoretical study of NiMoW, NiMo, and NiW sulfide catalysts supported on an AlTiMg mixed oxide during the hydrodesulfurization of dibenzothiophene. Fuel, 2013, 113: 733–743

DOI

8
Thomazeau C, Geantet  C, Lacroix M,  Danot M,  Harlé V,  Raybaud P. Predictive approach for the design of improved HDT catalysts: γ-Alumina supported (Ni, Co) promoted Mo1−xWxS2 active phases. Applied Catalysis A, General, 2007, 322: 92–97

DOI

9
Plantenga F L,  Cerfontain R,  Eijsbouts S,  van Houtert F,  Anderson G H,  Miseo S,  Soled S,  Riley K,  Fujita K,  Inoue Y. 89 “Nebula”: A hydroprocessing catalyst with breakthrough activity. Studies in Surface Science and Catalysis, 2003, 145: 407–410

DOI

10
Park Y C, Oh  E S, Rhee  H K. Characterization and catalytic activity of WNiMo/Al2O3 catalyst for hydrodenitrogenation of pyridine. Industrial & Engineering Chemistry Research, 1997, 36(12): 5083–5089

DOI

11
van Haandel L,  Bremmer M,  Kooyman P J,  van Veen J A R,  Weber T,  Hensen E J M. Structure-activity correlations in hydrodesulfurization reactions over Ni-promoted MoxW(1−x)S2/Al2O3 catalysts. ACS Catalysis, 2015, 5(12): 7276–7287

DOI

12
Shan S, Liu  H, Yue Y,  Shi G, Bao  X. Trimetallic WMoNi diesel ultra-deep hydrodesulfurization catalysts with enhanced synergism prepared from inorganic-organic hybrid nanocrystals. Journal of Catalysis, 2016, 344: 325–333

DOI

13
Mushrush G W, Quintana  M A, Bauserman  J W, Willauer  H D. Post-refining removal of organic nitrogen compounds from diesel fuels to improve environmental quality. Journal of Environmental Science and Health. Part A, 2011, 46(2): 176–180

14
Prins R. Catalytic hydrodenitrogenation. Advances in Catalysis, 2001, 46: 399–464

DOI

15
Kraus H, Prins  R. The effect of phosphorus on oxidic NiMo(CoMo)/γ-Al2O3 catalysts: A solid state NMR investigation. Journal of Catalysis, 1997, 170(1): 20–28

DOI

16
Daage M, Chianelli  R R. Structure-function relations in molybdenum sulfide catalysts: The “rim-edge” model. Journal of Catalysis, 1994, 149(2): 414–427

DOI

17
Topsøe H. The role of Co–Mo–S type structures in hydrotreating catalysts. Applied Catalysis A, General, 2007, 322: 3–8

DOI

18
Sun M, Nicosia  D, Prins R. The effects of fluorine, phosphate and chelating agents on hydrotreating catalysts and catalysis. Catalysis Today, 2003, 86(1-4): 173–189

DOI

19
Xiang C E, Chai  Y M, Fan  J, Liu C G. Effect of phosphorus on the hydrodesulfurization and hydrodenitrogenation performance of presulfided NiMo/Al2O3 catalyst. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2011, 39(5): 355–360

DOI

20
Shi L, Zhang  Z H, Qiu  Z G, Guo  F, Zhang W,  Zhao L F. Effect of phosphorus modification on the catalytic properties of Mo-Ni/Al2O3 in the hydrodenitrogenation of coal tar. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2015, 43(1): 74–80

DOI

21
Rashidi F, Sasaki  T, Rashidi A M,  Nemati Kharat A,  Jozani K J. Ultradeep hydrodesulfurization of diesel fuels using highly efficient nanoalumina-supported catalysts: Impact of support, phosphorus, and/or boron on the structure and catalytic activity. Journal of Catalysis, 2013, 299: 321–335

DOI

22
Usman Y T, Kubota  T, Okamoto Y. Effect of phosphorus addition on the active sites of a Co-Mo/Al2O3 catalyst for the hydrodesulfurization of thiophene. Applied Catalysis A, General, 2007, 328(2): 219–225

DOI

23
Sigurdson S, Sundaramurthy  V, Dalai A K,  Adjaye J. Phosphorus promoted trimetallic NiMoW/γ-Al2O3 sulfide catalysts in gas oil hydrotreating. Journal of Molecular Catalysis A Chemical, 2008, 291(1-2): 30–37

DOI

24
Han W, Yuan  P, Fan Y,  Shi G, Liu  H, Bai D,  Bao X. Preparation of supported hydrodesulfurization catalysts with enhanced performance using Mo-based inorganic-organic hybrid nanocrystals as a superior precursor. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22(48): 25340–25353

DOI

25
Shan S, Yuan  P, Han W,  Shi G, Bao  X. Supported NiW catalysts with tunable size and morphology of active phases for highly selective hydrodesulfurization of fluid catalytic cracking naphtha. Journal of Catalysis, 2015, 330: 288–301

DOI

26
Fan Y, Lu  J, Shi G,  Liu H, Bao  X. Effect of synergism between potassium and phosphorus on selective hydrodesulfurization performance of Co-Mo/Al2O3 FCC gasoline hydro-upgrading catalyst. Catalysis Today, 2007, 125(3-4): 220–228

DOI

27
Hensen E J M,  de Beer V H J,  van Veen J A R,  van Santen R A. A refinement on the notion of type I and II (Co)MoS phases in hydrotreating catalysts. Catalysis Letters, 2002, 84(1-2): 59–67

DOI

28
Nikulshin P A,  Ishutenko D I,  Mozhaev A A,  Maslakov K I,  Pimerzin A A. Effects of composition and morphology of active phase of CoMo/Al2O3 catalysts prepared using Co2Mo10-heteropolyacid and chelating agents on their catalytic properties in HDS and HYD reactions. Journal of Catalysis, 2014, 312: 152–169

DOI

29
Ramírez J, Gutiérrez-Alejandre  A. Characterization and hydrodesulfurization activity of W-based catalysts supported on Al2O3-TiO2 mixed oxides. Journal of Catalysis, 1997, 170(1): 108–122

DOI

30
Atanasova P, Tabakova  T, Vladov C,  Halachev T,  Lopez Agudo A. Effect of phosphorus concentration and method of preparation on the structure of the oxide form of phosphorus-nickel-tungsten/alumina hydrotreating catalysts. Applied Catalysis A, General, 1997, 161(1-2): 105–119

DOI

31
Gutiérrez O Y,  Valencia D,  Fuentes G A,  Klimova T. Mo and NiMo catalysts supported on SBA-15 modified by grafted ZrO2 species: Synthesis, characterization and evaluation in 4,6-dimethyldibenzothiophene hydrodesulfurization. Journal of Catalysis, 2007, 249(2): 140–153

DOI

32
Mogica-Betancourt J C,  López-Benítez A,  Montiel-López J R,  Massin L,  Aouine M,  Vrinat M,  Berhault G,  Guevara-Lara A. Interaction effects of nickel polyoxotungstate with the Al2O3-MgO support for application in dibenzothiophene hydrodesulfurization. Journal of Catalysis, 2014, 313: 9–23

DOI

33
Li Y, Pan  D, Yu C,  Fan Y, Bao  X. Synthesis and hydrodesulfurization properties of NiW catalyst supported on high-aluminum-content, highly ordered, and hydrothermally stable Al-SBA-15. Journal of Catalysis, 2012, 286: 124–136

DOI

34
Campelo J M, Garcia  A, Luna D,  Marinas J M,  Romero A A. Characterization of acidity in AlPO4-Al2O3 (5–15 wt-% Al2O3) catalysts using pyridine temperature programmed desorption. Thermochimica Acta, 1995, 265: 103–110

DOI

35
Ferdous D, Dalai  A K, Adjaye  J. A series of NiMo/Al2O3 catalysts containing boron and phosphorus: Part I. Synthesis and characterization. Applied Catalysis A, General, 2004, 260(2): 137–151

DOI

36
Huirache-Acuña R,  Zepeda T A,  Rivera-Muñoz E M,  Nava R, Loricera  C V, Pawelec  B. Characterization and HDS performance of sulfided CoMoW catalysts supported on mesoporous Al-SBA-16 substrates. Fuel, 2015, 149: 149–161

DOI

37
Fan Y, Xiao  H, Shi G,  Liu H, Qian  Y, Wang T,  Gong G, Bao  X. Citric acid-assisted hydrothermal method for preparing NiW/USY-Al2O3 ultradeep hydrodesulfurization catalysts. Journal of Catalysis, 2011, 279(1): 27–35

DOI

38
Nikulshin P A,  Salnikov V A,  Mozhaev A V,  Minaev P P,  Kogan V M,  Pimerzin A A. Relationship between active phase morphology and catalytic properties of the carbon-alumina-supported Co(Ni)Mo catalysts in HDS and HYD reactions. Journal of Catalysis, 2014, 309: 386–396

DOI

39
Mendoza-Nieto J A,  Robles-Méndez F,  Klimova T E. Support effect on the catalytic performance of trimetallic NiMoW catalysts prepared with citric acid in HDS of dibenzothiophenes. Catalysis Today, 2015, 250: 47–59

DOI

40
Xie F Y, Gong  L, Liu X,  Tao Y T,  Zhang W H,  Chen S H,  Meng H, Chen  J. XPS studies on surface reduction of tungsten oxide nanowire film by Ar+ bombardment. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 2012, 185(3): 112–118

DOI

41
Wachs I E, Kim  T, Ross E I. Catalysis science of the solid acidity of model supported tungsten oxide catalysts. Catalysis Today, 2006, 116(2): 162–168

DOI

42
Fan Y, Xiao  H, Shi G,  Liu H, Bao  X. A novel approach for modulating the morphology of supported metal nanoparticles in hydrodesulfurization catalysts. Energy & Environmental Science, 2011, 4(2): 572–582

DOI

43
Amaya S L, Alonso-Núñez  G, Zepeda T A,  Fuentes S,  Echavarría A. Effect of the divalent metal and the activation temperature of NiMoW and CoMoW on the dibenzothiophene hydrodesulfurization reaction. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 148-149: 221–230

DOI

44
Hensen E J M,  Kooyman P J,  van der Meer Y,  van der Kraan A M,  de Beer V H J,  van Veen J A R,  van Santen R A. The relation between morphology and hydrotreating activity for supported MoS2 particles. Journal of Catalysis, 2001, 199(2): 224–235

DOI

45
Ferdous D, Dalai  A K, Adjaye  J. A series of NiMo/Al2O3 catalysts containing boron and phosphorus: Part II. Hydrodenitrogenation and hydrodesulfurization using heavy gas oil derived from Athabasca bitumen. Applied Catalysis A, General, 2004, 260(2): 153–162

DOI

46
Trejo F, Rana  M S, Ancheyta  J, Chávez S. Influence of support and supported phases on catalytic functionalities of hydrotreating catalysts. Fuel, 2014, 138: 104–110

DOI

47
Zdražil M. Recent advances in catalysis over sulphides. Catalysis Today, 1988, 3(4): 269–365

DOI

48
Wang I, Chang  R C. Catalytic hydrodesulfurization and hydrodenitrogenation over Co-Mo on TiO2-ZrO2-V2O5. Journal of Catalysis, 1989, 117(1): 266–274

DOI

49
Stanislaus A, Cooper  B H. Aromatic hydrogenation catalysis: A review. Catalysis Reviews. Science and Engineering, 1994, 36(1): 75–123

DOI

Outlines

/