喹啉在d带电荷调控的Pd催化剂下的出色加氢选择性

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1,2,3,4-四氢喹啉及其衍生物在药物化学和染料合成中具有重要的研究价值,因此实现喹啉直接加氢至1,2,3,4-四氢喹啉的研究引起了广泛关注。但是,由于喹啉及其加氢产物与催化剂金属活性中心之间存在较强的吸附作用,导致在反应过程中普遍存在着活性丧失或选择性较差生成5,6,7,8-四氢喹啉和十氢喹啉副产物等问题。本论文中,我们利用氮物种与Pd的配位作用,一步合成了氮含量可调控的N掺杂碳载Pd纳米催化剂,并将其用作喹啉选择性加氢反应的模型催化剂。C、N共修饰的Pd纳米催化剂分散性较好,粒径大约为3-4 nm。通过XPS、EXAFS等表征方法探究了Pd纳米粒子的配位环境和电子结构。氮物种与Pd之间存在相互作用,富电子的氮将电子转移给Pd,增大了Pd表面的电荷密度。不同氮含量的Pd纳米催化剂具有可调的Pd-C,Pd-N和Pd-Pd配位,电子性能可调控。在60℃、1 MPa H2的反应条件下,C,N(4.3)-Pd/OMC催化剂对于喹啉选择性加氢反应具有最高的催化活性,TOF值高达188 h-1,对1,2,3,4-四氢喹啉的选择性高达100%。该催化剂还具有较高的稳定性,进行了循环反应和巯基捕获实验后,反应初始阶段的TOF值几乎没有变化,依然保持了较高的催化活性。反应后的催化剂并没有发现明显的Pd纳米粒子的聚集、流失现象,依然保持着有序的介观结构。并以实验可测的Pd位点上表面d带电荷密度为描述符,将该描述符与Pd纳米催化剂对喹啉选择性加氢反应的催化活性和选择性定量相关。在C,N(4.3)-Pd/OMC催化剂中,Pd位点的d电荷转移量最大,达0.29 eV,加氢活性、选择性最高。同时,Pd位点表面的d带电荷密度与喹啉选择性加氢反应的催化活性和活化熵之间存在线性良好的正依存关系。C,N(4.3)-Pd/OMC催化剂还适用于1,2,3,4-四氢喹啉的脱氢反应,在喹啉的可逆选择性加氢/脱氢反应中同时具有较高的催化活性和选择性,实现了单一催化剂可同时催化两类不同类型的反应。
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