骨架镍催化剂水相催化还原芳香酮的研究

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骨架镍催化剂具有催化活性好,机械强度高,对毒物不敏感,导热性好等优点,广泛应用在不饱和键如炔烃、烯烃、芳基、硝基、羰基和腈基的加氢以及脱氢、脱硫和脱卤等化学工业中。芳香酮还原制备芳香醇可以采用复氢化合物还原,也可采用催化加氢的方式。由于绿色环保和后处理简单的特点,催化加氢在工业生产上的优势越来越明显。为了取得更好的均相效果,多数催化加氢采用有机溶剂。由于骨架镍具有容易自燃和有机溶剂沸点低易挥发、爆炸极限宽等特点,水相加氢逐渐成为催化加氢的研究热点。本文研究了骨架镍在水相中还原芳香酮制备芳香醇的催化加氢行为。本课题采用不同的制备方法制备了 12种骨架镍催化剂,包括将镍铝合金缓慢地加入到碱液的传统方法,制备了 C-01和C-02催化剂;以及在此基础上开发的通过向催化剂中加入Ni(OH)2和Ni203对骨架镍进行改性的方法,制备了 C-03、C-A01~C-A04,C-B01~C-B04和C-C01催化剂。值得一提的是本课题采用的与骨架镍传统制备思路相反的新方法,即在催化剂浸渍步骤中引入HCl浸渍过程,制备得到表面氧化态镍和铝含量较高的C-03催化剂。采用 XRD、N2物理吸附、XRF、XPS、SEM、HRTEM 和 H2-TPD 等方法对 C-01、C-02,C-03催化剂进行了表征,同时分别使用12种催化剂,以水为溶剂,氢气为氢源进行苯乙酮催化加氢研究。结果表明:C-03催化剂对1-苯乙醇的选择性高达99.23%;掺入镍氧化物的C-03、C-A01~C-A04,C-B01~C-B04和C-C01骨架镍催化剂对1-苯乙醇的选择性均有不同程度的提高;XPS显示C-01、C-02催化剂表面镍和铝都主要以单质态存在,而C-03催化剂表面镍和铝都主要以氧化态存在;XRD显示C-03催化剂存在非结晶态的3Ni(OH)2·2H2O。本论文采用C-03骨架镍催化剂对对甲基苯乙酮、对乙基苯乙酮、苯丙酮、对甲基苯丙酮和对乙基苯丙酮进行了加氢还原研究。C-03催化剂在芳香酮水相加氢中表现出了非常高的羰基加氢选择性(>98%),所得芳香醇收率较高(>91%)。因此,C-03催化剂是水相中芳香酮羰基加氢的理想催化剂。本论文的另一重点是探讨了在水相骨架镍催化加氢体系中催化剂结构、组成与催化加氢选择性的关系。通过分析发现制备C-03的新方法能够在催化剂表面生成氢氧化镍,它使催化剂表面单质镍由团聚变得分散,活性位变得单一,这有利于提高反应选择性;HCl浸渍在抽提掉更多的铝的同时溶解了一部分单质镍,这使其表面孔结构由墨水瓶状变为层状堆积,孔容、孔径和比表面积均增大,这些都有利于原料与氢原子接触和产物的快速脱附,提高原料转化率,缩短反应时间。此外,本文提出了苯乙酮在C-02和C-03上进行加氢反应的一个假设性机理。即在本课题研究体系中,羰基比苯环更易加氢,芳香酮主要通过酮羰基吸附在催化剂表面,与氢原子发生催化加氢反应。芳香酮在C-02催化剂表面上的吸附模式有两种,即η~1(O)和η~2(C,O)模式,η~2(C,O)模式下,苯环会有一定的加氢几率。而在C-03催化剂表面上,由于氢氧化镍的存在,抑制了η~2(C,O)模式的形成,芳香酮只以η~1(O)模式吸附,这种吸附模式下,苯环加氢几率很小。因此,表面含有氧化态镍的C-03催化剂对1-苯乙醇的选择性非常高。
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