Herstellung und Aufbereitung von Nickelkatalysatoren

Legierungsvorbereitung:
Kommerziell wird die zur Herstellung von Raney-Nickel erforderliche Nickel-Aluminium-Legierung hergestellt, indem katalytisch aktive Metalle (Nickel, Eisen oder Kupfer) mit Aluminium in einem Ofen verschmolzen werden, die resultierende Schmelze abgeschreckt und gekühlt und dann zu gleichmäßigen feinen Partikeln zerkleinert wird. Bei der Auslegung der Legierungskomponenten werden zwei Faktoren berücksichtigt. Einer ist das Verhältnis von Nickel- zu Aluminiumzusammensetzung in der Legierung. Da das Verhältnis von Nickel zu Aluminium variiert, werden während des Abschreckens unterschiedliche Nickel/Aluminium-Phasen erzeugt, die unterschiedliche Auslaugungseigenschaften aufweisen, was zu einer sehr unterschiedlichen porösen Struktur des Endprodukts führen kann. Üblicherweise werden zum Schmelzen gleiche Massen von Nickel und Aluminium verwendet. Der zweite ist der Anteil des zugesetzten dritten Metalls. Während des Abschreckvorgangs werden manchmal geringe Mengen an Drittmetallen wie Zink und Chrom hinzugefügt. Ihre Zugabe verändert die Zusammensetzung und das Phasendiagramm der Legierung, was zu unterschiedlichen Auslaugeigenschaften und damit zu einer höheren katalytischen Aktivität führt, daher der Begriff "Beschleuniger".

Aktivierung:
Die hohe katalytische Aktivität von Raney-Nickel beruht auf der katalytischen Natur des Nickels selbst und seiner porösen Struktur, die aus der Entfernung von Aluminium aus Nickel-Aluminium-Legierungen mit konzentrierten Natriumhydroxidlösungen stammt, einem als Auslaugen bekannten Prozess, der durch vereinfacht wird die folgende Auswaschreaktion.
2Al plus 2NaOH plus 6H2O → 2Na[Al(OH)4] plus 3H2
Da die Auslaugungsreaktion die Aktivität des Katalysators bewirkt und das entstehende Wasserstoffgas in den Katalysator eingelagert wird, spricht man auch von Aktivierung. Die Oberfläche des fertigen Produkts wird üblicherweise durch Adsorptionsexperimente von Gasen (z. B. Wasserstoff) gemessen. Es wurde gefunden, dass Nickel in fast allen Kontaktbereichen vorhanden war. Die durchschnittliche Nickelkontaktfläche von handelsüblichem Raney-Nickel beträgt 100 m²/g. Drei Hauptfaktoren beeinflussen das Ergebnis der Auslaugungsreaktion, nämlich die Zusammensetzung der Legierung, die Konzentration des verwendeten Natriumhydroxids und die Temperatur der Auslaugungsreaktion.
Wie bereits erwähnt, enthält die Legierung mehrere Nickel-Aluminium-Phasen. Beim Auslaugen wird zuerst das in den NiAl3- und Ni2Al3-Phasen enthaltene Aluminium umgesetzt, während das in der NiAl-Phase enthaltene Aluminium langsamer reagiert und durch Einstellen der Auslaugzeit zurückgehalten werden kann, weshalb es als „selektives Auslaugen“ bezeichnet wird. Ein typisches aktiviertes Raney-Nickel hat 85 Massenprozent Nickel, was bedeutet, dass 2/3 der Atome Nickel sind. Das verbleibende Aluminium in der NiAl-Phase trägt dazu bei, diese poröse Struktur aufrechtzuerhalten, indem es dem Katalysator strukturelle und thermische Stabilität verleiht.
Die für die Auslaugungsreaktion verwendete Natriumhydroxidkonzentration muss relativ hoch sein, typischerweise bis zu 5 Mol/L, um das Aluminium schnell in wasserlösliches Natriumaluminat (Na[Al(OH)4]) umzuwandeln und dies zu vermeiden Bildung von Aluminiumhydroxidniederschlägen. Sobald die Ausfällung von Aluminiumhydroxid erzeugt ist, blockiert die Ausfällung die gebildeten Poren und verhindert, dass der Rest der Natriumhydroxidlösung in den Weg der Legierung eintritt, wodurch es für das verbleibende Aluminium schwieriger wird, wegzureagieren. Dies führt zu einer kleineren Oberfläche der porösen Struktur des Produkts und zu einer Verringerung der katalytischen Aktivität.

Die während des Auslaugungsprozesses allmählich gebildete poröse Struktur neigt stark dazu, ihre Oberfläche zu verringern, und es kommt zu einer strukturellen Umordnung, wobei die Porenwände aneinander binden, wodurch die poröse Struktur zerstört wird. Daher nehmen die Oberfläche und die katalytische Aktivität von Raney-Nickel mit zunehmender Auslaugungsreaktionstemperatur ab, während eine sehr niedrige Auslaugungstemperatur die Auslaugungsreaktion zu langsam macht, sodass die übliche Auslaugungsreaktionstemperatur zwischen 70 und 100 Grad liegt .