高分散钯催化剂的制备及其催化性能的研究

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Pd负载型催化剂由于其优良的催化性能在选择性加氢、氧化、析氢、Suzuki偶联反应等许多领域得到了广泛的应用。大量研究发现,Pd在催化剂载体表面的粒径大小和分散程度取决于催化剂的制备方法,也直接影响催化剂的催化性能。近年来,绿色且易于控制的多元醇方法引起了极大的兴趣。典型的合成步骤是在较高温度(接近沸点)下,在纯多元醇(例如乙二醇(EG))中制备Pd纳米颗粒(NPs)负载型催化剂,并需额外添加表面活性剂作为封盖剂以避免Pd NPs的团聚。然而,在多元醇方法中存在多元醇的循环利用率极低;沸点附近的反应温度容易引起多元醇热分解;在进行催化性能测试以获得优异的催化活性之前,还需要除去这些表面活性剂等亟需解决的问题。针对上述问题,以及催化剂的应用,本论文开展了如下研究工作:1.提出了一种合成高分散Pd负载型催化剂的新方法(CAR法),即通过添加MSO4(M=Cu、Zn和Mn)使EG能够在50℃的乙二醇水溶液中迅速还原Pd2+,制备Pd/Al2O3-CARMn、Pd/Al2O3-CARZn和Pd/Al2O3-CARCu,且制备催化剂后的滤液可以多次循环再利用;利用UV-vis、XPS、TEM、FT-IR等各种表征手段,结合文献探究了CAR法的还原机理。结果表明,Pd/Al2O3-CARMn、Pd/Al2O3-CARZn和Pd/Al2O3-CARCu表面的Pd NPs的平均粒径分别为3.6、5.5和27.4nm;以Mn SO4为阳离子源制备出Pd/Al2O3-CARMn后的滤液循环三次,得到的催化剂表面的Pd NPs呈分散状,平均粒径也均在3.6 nm左右;金属阳离子通过形成三元配合物HOCH2CH2OH···[M(H2O)(n-1)]2+···SO42-而促进配体乙二醇连续脱氢氧化成醛,继而醛将Pd2+还原金属Pd。上述催化剂应中,Pd/Al2O3-CARMn在苯甲醇的无溶剂氧化中的催化活性最高,在用量为苯甲醇质量的0.19%时,1h内苯甲醇的转化率达到27.0%,选择性达到92.1%,转化频率(TOF)达到了21309h-1;当催化剂用量减少至苯甲醇质量的0.095%,TOF值提高到29810h-1,且滤液循环制备的催化剂也具有相同的催化活性。2.采用水热法,以物质的量比(1:6、1:7、1:8和1:9)不同的Al(NO33与尿素为原料分别制备出表面碱中心数不同的棒状Al2O3;以其为载体,Mn SO4为阳离子源,采用CAR法制备出Pd/1:6-Al2O3-CARMn、Pd/1:7-Al2O3-CARMn、Pd/1:8-Al2O3-CARMn和Pd/1:9-Al2O3-CARMn,分别用TEM、XPS、XRD、BET、CO2-TPD和H2-O2滴定对其进行了表征分析。结果表明:Al2O3载体均为γ相,且结晶度较低;催化剂的比表面积、载体表面的碱量均随Al(NO33与尿素物质的量比的减小而减小,而催化剂表面Pd NPs的平均粒径和分散度则相反,且载体表面的碱中心数越多,Pd粒径越小,分散度越高。四个催化剂在苯甲醇无溶剂氧化制备苯甲醛反应中都有较高的活性,且催化剂表面Pd NPs的粒径越小,分散度越高,苯甲醇的转化率越高,苯甲醛的选择性也越高。以活性最高的Pd/1:6-Al2O3-CARMn为催化剂,在反应温度140℃,搅拌速率1260 rpm,催化剂用量0.19%,反应时间6h的条件下,苯甲醇的转化率69.8%,苯甲醛的选择性96.0%。3.以商用γ-Al2O3为载体,分别采用CAR法、H2热还原法和传统多元醇法制备了Pd/γ-Al2O3-CAR、Pd/γ-Al2O3-H2和Pd/γ-Al2O3-EG催化剂,分别用TEM、XPS、XRD、NH3-TPD和H2-O2滴定对其进行了表征分析。结果表明:Pd/γ-Al2O3-CAR、Pd/γ-Al2O3-H2和Pd/γ-Al2O3-EG三种催化剂表面Pd NPs的平均粒径依次分别为4.2、2.6和2.9nm,催化剂表面Pd0的含量依次为85.2%、68.1%和79.5%;由于醇的氧化产物羧酸吸附在载体表面,催化剂表面的酸性中心按Pd/γ-Al2O3-H2、Pd/γ-Al2O3-CAR、Pd/γ-Al2O3-EG依次增加。苯甲腈选择性加氢反应中,苯甲腈的转化率随催化剂表面Pd0的含量升高而升高;苯甲胺的选择性随催化剂表面的酸性位点量增加而不断降低,其中以Pd/γ-Al2O3-CAR为催化剂时苯甲胺收率最高,达79.2%。
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