CNTs负载Pt、Pd催化剂制备及α,β-不饱和醛选择性加氢反应性能的研究

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α,β-不饱和醛是重要的化工原料及中间体,而它的半加氢产物中,如C=O键选择性加氢而得到的不饱和醇更是医药、香料等的重要原料及中问体,C=C键选择性加氢得到的饱和醛是制备HIV等药物的重要中间体。由于α,β-不饱和醛中C=C和C=O形成共轭体系,使得它们的加氢有别于单C=C或C=O的加氢。因此,对α,β-不饱和醛的选择性加氢研究具有重要的理论意义和工业应用前景。肉桂醛(CMA)是α,β-不饱和醛化合物中的一种。肉桂醛分子中的C=O极性键较C=C键的加氢难。但可以通过调节吸附氢的数目和活性使催化剂表面有更多的与C=C及C=O等不饱和键加氢相适应的活性中心,从而实现肉桂醛的高效选择性加氢。纳米碳管自从发现以来,受到了广泛的重视,作为催化剂的载体将有较好的应用前景。它的独特的结构特点,使它有别于一般的碳载体,特别在液相反应中,可以避免扩散的影响,同时也使产物比较容易从载体表面脱附,减少副反应的发生。基于对肉桂醛选择性加氢规律的认识,我们选择碳纳米管为载体设计了一系列负载Pt、Pd催化剂,主要得到了如下重要的结果:1比较了不同载体γ-Al2O3、TiO2、ZrO2、石墨、AC、CNTs负载Pt催化剂催化加氢肉桂醛的性能,其中,CNTs负载Pt催化剂表现出了较高的肉桂醇加氢选择性(43.3%),远大于其它载体负载单金属Pt催化剂上肉桂醛加氢生成肉桂醇的选择性,并且没有醇醛缩合物及高分子聚合物生成。这与CNTs独特的孔道结构阻止副反应发生有关。2首次系统地研究了过渡金属的添加对Pt/CNTs催化剂催化加氢肉桂醛反应性能的影响。结果发现,Co和Ni的添加,对Pt/CNTs催化剂催化加氢活性起到明显促进作用。0.5%Pt-0.17%Co/CNTs催化剂显示了较高的肉桂醇加氢选择性,在反应条件为70℃、2MPa和2.5h时,肉桂醛的加氢转化率达到97.0%,而生成肉桂醇的选择性也高达94.5%,这是目前文献报道的肉桂醛加氢生成肉桂醇的最好结果之一。而Ni的添加却显著促进了Pt/CNTs催化剂上肉桂醛加氢生成苯丙醛的选择性,在反应条件为70℃、2MPa和1.5h时,0.5%Pt-0.34%Ni/CNTs催化剂上肉桂醛的加氢转化率达到98.6%,而生成苯丙醛的选择性也高达88.2%。3系统地研究了不同反应条件对PtCo/CNTs和PtNi/CNTs催化剂上催化加氢肉桂醛反应性能的影响。结果表明:①升高反应温度或者增大压力均能提高催化剂的加氢活性。但提高压力有利于C=O键的加氢,而反应温度升高有利于C=C键的加氢;②溶剂极性增大,催化剂活性提高。但对PtCo/CNTs和PtNi/CNTs催化剂上生成产物选择性有明显不同的影响。随着溶剂极性增大,PtCo/CNTs催化剂上C=O键的加氢选择性得到提高,而在PtNi/CNTs催化剂上则有利于C=C键的加氢;③反应体系中添加适量的酸性或碱性助剂对PtCo/CNTs和PtNi/CNTs催化剂上催化加氢肉桂醛反应性能也有明显不同的影响。对PtCo/CNTs催化剂体系,添加适量的助剂HNO3、HAc和NaAc对催化加氢活性有明显的促进作用,而添加有机碱或无机强碱NaOH等助剂对催化加氢活性则有明显的抑制作用。对PtNi/CNTs催化剂体系,添加适量的酸性或碱性助剂HNO3、HAc、NaAc、NaOH或有机碱等对催化加氢活性均有明显的促进作用。尤其无机碱NaAc或NaOH助剂的适量加入对催化加氢活性和C=C键的加氢选择性有显著的提高。适量NaAc助剂的添加,在60℃、1.5MPa和1.5h的反应条件下,0.5%Pt-0.17%Ni/CNTs催化剂上肉桂醛的加氢转化率达到91.8%,而生成苯丙醛的选择性达到96.1%,这是目前文献报道的最佳结果之一。对上述反应体系中0.5%Pt-0.17%Co/CNTs催化剂上肉桂醛加氢的初步动力学研究表明,该体系中反应的活化能为26.5KJ/mol。4系统地研究了催化剂制备条件(还原处理方法、Pt的前驱体以及活性组分的负载方式)对PtCo/CNTs和PtNi/CNTs催化剂上催化加氢肉桂醛反应性能的影响。结果表明,当采用不同的还原方法处理催化剂时,以硼氢化钾为还原剂时效果最好,经XPS分析,还原后的催化剂中有B残留,B对高活性起到了一定的促进作用。以高温氢气氛还原处理催化剂时,催化剂的加氢活性次之。而以甲醛为还原剂时,由于甲醛的还原能力比较弱,还原处理后的催化剂中可能有PtOxCly物种的存在,导致催化剂的加氢活性较差。以Pt(NH34Cl2为Pt的前驱体时,其催化性能最佳,而活性组分的负载方式对催化剂的催化性能影响不大。5首次研究了微乳体系中CNTs负载双金属组分PtCo或PtNi的催化加氢性能。乙醇-水-肉桂醛形成了水包油型的微乳结构,该微乳结构能够很好的控制反应方向,并且增大了反应物分子被催化剂表面吸附的几率,对提高肉桂醛的转化率和生成肉桂醇的选择性起到了很大的作用。在70℃、2MPa、1.5h的反应条件下,在单纯的乙醇为溶剂的反应体系中,0.5%Pt-0.17%Co/CNTs催化剂上肉桂醛的加氢转化率为87.4%,生成肉桂醇的选择性为92.4%;而在乙醇(15ml)-水(4ml)-肉桂醛的微乳反应体系中,同样的反应条件下,肉桂醛的加氢转化率为97.4%,生成肉桂醇的选择性为90.4%。6在常温、常压的反应条件下,系统地研究了不同载体γ-Al2O3、TiO2、ZrO2、石墨、AC、CNTs负载Pd催化剂上催化加氢肉桂醛的反应性能。结果表明,催化剂活性大小次序为:Pd/TiO2>Pd/γ-Al2O3>Pd/ZrO2>Pd/AC>Pd/CNTs>Pd/G。CNTs负载Pd催化剂表现出了最高的C=C加氢选择性,在常温,常压,4h的反应条件下,肉桂醛的转化率达到80.6%,生成苯丙醛的选择性高达92.7%。同时,研究了催化剂的还原处理方法、反应条件等因素对不同载体负载Pd催化剂上催化加氢肉桂醛的反应性能。结果表明,①以硼氢化钾还原处理的催化剂均有较高的加氢活性,而硼氢化钾处理也有利于C=C键的加氢。②溶剂极性增大,催化剂活性提高。且溶剂极性增大有利于C=O加氢。催化活性高低次序为:乙醇>正丁醇>甲苯。③酸性助剂HAc和HNO3的添加对提高催化剂的加氢活性起到了重要的促进作用,但助剂的强酸性又会促进醇醛缩合反应的发生。碱性助剂的加入对催化剂的加氢活性均有一定程度的抑制作用,但对生成苯丙醛的选择性有较明显的促进作用。
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