高性能钯基催化剂构筑及其催化加氢性能研究

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长期以来,钯基催化剂因其独特的催化活性被广泛应用于催化加氢、催化偶联、催化氧化等领域。然而,目前化学工业中使用的钯基催化剂仍存在许多问题。如:钯金属原子的团聚和流失,影响钯基催化剂的稳定性和可重复使用性;原子利用率低使得钯基催化剂的成本高、活性较差;不必要的过度加氢副反应导致钯基催化剂的在许多重要的加氢反应中选择性差等。因此,开发高活性、高选择性的环境友好型钯基催化剂意义重大。为了提高钯基催化剂的活性,本论文通过向催化剂载体中引入杂原子的方法改变载体的空间结构和电子效应以提高钯活性位点的分散性和原子利用率,并成功制备了高活性钯基催化剂。载体中的杂原子与钯活性位点之间的强相互作用可以大大提高催化剂的稳定性;此外,为了提高钯基催化剂的催化选择性,本论文采用向钯基活性位点掺入第二金属的策略,在改变活性位点电子结构的同时使钯金属活性位点均一化,从而改变反应物/中间体/产物在活性位点上的吸附作用和活化能力以提高目标反应的选择性。本论文的研究内容及结论如下:(1)利用廉价、易得的原料1,4-二氰基苯制备高度稳定的三嗪框架材料(CTF-1),再通过传统的浸渍法和一锅低温焙烧-还原的策略将超细钯纳米颗粒锚定在CTF-1层上。由于CTF-1中含有大量的富氮三嗪位点对钯活性位点有强的锚定和分散作用,因此,所制得的Pd@CTF-1催化剂具有很高的热稳定性和化学稳定性。温和条件下催化苯甲醛与苯胺(或硝基苯)的缩合还原N-烷基化反应,证实Pd@CTF-1催化剂具有良好催化活性,循环反应实验的结果证实了Pd@CTF-1的可回收性及稳定性。基于催化剂的表征结果和催化反应的监测结果提出了Pd@CTF-1催化硝基苯与苯甲醛N-烷基化反应的机理。(2)通过简单的一锅共浸渍-还原方法将Pd Zn双金属纳米颗粒锚定在硫掺杂介孔碳材料Meso_S-C上,制得Pd Zn/Meso_S-C催化剂;借助活性位点与硫之间的强相互作用,Pd Zn纳米颗粒被均匀地分散在Meso_S-C载体上,有效防止了金属在催化反应中可能产生的团聚和流失。高电子密度金属锌的掺杂改变了活性金属钯的电子密度和几何构型,使催化剂Pd Zn/Meso_S-C实现了高选择性催化炔醇半加氢反应;炔醇转化率达到97.5%时,烯醇产物的选择性高达96.0%。此外,Pd Zn/Meso_S-C催化剂在各类炔醇的半氢化反应中均能保持高选择性。本论文也结合DFT计算结果,提出了Pd Zn双金属位点选择性催化炔醇半加氢的机理。综上,本论文通过精心构筑和合理优化制得了两种高性能的钯基催化剂,分别实现了在温和条件下对缩合还原N-烷基化反应的高效催化以及炔醇的高选择性半氢化;本论文的研究工作预期为高性能钯基催化剂的开发提供研究基础。
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