合成气制乙醇催化反应机理述评

合成气制乙醇催化反应机理述评汪海有，刘金波，蔡启瑞（厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室，化学系，厦门３６１００５）Ｃ１化学是国际上有重大应用背景的化学前沿领域。所谓Ｃ１化学是指从一个碳原子的化合物（如ＣＯ、ＣＨ４、ＣＨ３ＯＨ）出发合成各种化学品和...     

催化合成气合成乙醇的铑基催化剂中助剂锰的作用本质研究

催化剂活性测试表明,助剂Mn显著提高了铑的催化活性.通过考察H_3/D_2同位素效应发现在Mn促进的及非促进的铑催化剂上进行的合成气反应中,乙醇生成反应均表现出显著的氘位素效应.结合CO化学吸附、XRD.CO吸附IR、XPS、EPR等物化表征手段对催化剂的表征结果,讨论了助剂Mn的作用本质.提出助剂Mn~(2+)通过与反应中间体甲酰基氧端的亲合作用.促进了CO加氢生成甲酰基的反应及其随后的氢解生成卡宾物种的反应,从而显著提高铑催化活性的观点.     

合成气在Rh（111）上转化为乙醇的机理的键级守恒研究

Rh上乙醇的生成机理,目前主要有两类.一是Ichikawa等为代表提出的“CO解离—CH_x(x=2或3)—乙酰基—乙醇”机理;另一是蔡启瑞等的“CO缔合—甲酰基(金属氧卡宾)—卡宾—乙烯酮—乙酰基—乙醇”机理.本文用Shustorovich的键级守恒—Morse势(BOC-MP)法对其进行了研究     

铑催化合成气转化为乙醇反应中甲酰基中间体的化学捕获

本文采用化学捕获法对铑基催化剂上合成气转化反应中的甲酰基中间体进行了化学捕获,在CO+2D_2反应后,用CH_3I进行的化学捕获反应中生成了CH_3CHO、CH_3CDO两种形式的乙醛;补充的Ar吹扫实验显示DCO的甲基化反应对生成的CH_3CDO有重要贡献。因此,甲酰基的确是合成气反应中的C_1含氧中间体。根据这一结果,初步探讨了合成气反应中CH_x物种的生成途径。     

铑基CO加氢制乙醇催化剂的FTIR研究

用ＦＴＩＲ的Ｒｈ／ＣｅＯ２／ＳｉＯ２系列ＣＯ加氢制乙醇催经剂进行了研究，在Ｈ２流中升温处理时，吸附ＣＯ的脱附温度低于Ｎ２气流中ＣＯ的脱附温度，ＣｅＯ２的加入进一步降低了Ｎ２和Ｈ２气流中ＣＯ的脱附温度，在Ｈ２气流中升温处理时，相邻双羰基峰的低波数峰迅速消失，而高波数峰变得不对称，ＦＴＩＲ结果表明，在ＣＯ加氢反应中，催化剂表面上生成了Ｒｈ（Ｈ）ＣＯ物种，反应的速度决定步骤很可能是这一物种的进一步反应，     

铑基催化剂催化CO加氢合成乙醇

用溶胶－凝胶法合成了系列Ｒｈ／ＣｅＯ２／ＳｉＯ２,用浸渍法合成了Ｒｈ／ＣｅＯ２（Ｉ）,并用Ｈ２化学吸附ＸＰＳ,ＴＰＲ等技术进行了表征,结果表明,在所用的实验条件下,铑完全还原,而ＣｅＯ２未还原,Ｒｈ－ＣｅＯ２间存在强相互作用,在常压ＣＯ加氢反应中,未加氧化物促进剂的Ｒｈ／ＳｉＯ２即能催化乙醛的生成,但产物中仅有极少量甲醇和乙醇,随着ＣｅＯ２含量的增加,催化剂的活性显著降低、ＣｅＯ２的加入降低了乙醛     

用同位素研究合成气制乙醇的反应机理

用D_2~(18)O在Rh-TiO_2/SiO_2催化剂上进行了原位化学截取反应及原位~(18)O同位素交换反应,所得产物中含有氘代乙酸,表明乙烯酮是一种反应中间体;产物中有含~(18)O的乙醇、乙醛、乙酸,表明乙烯酮等C_2含氧前驱中间体与重氧水发生了~(18)O同位素交换反应。按照乙烯酮与水进行同位素交换的模式,只要进行2～3次的交换,就可以解释Katzer等用~(13)C~(16)O/~(12)C~(18)O与H_2反应观察到的产物乙醇的同位素杂组结果,而无须假设乙烯酮异构成能量较高的环氧乙烯然后进行同位素交换,使乙烯酮机理更合理。再次肯定了我们提出的“CO缔合-卡宾-乙烯酮-乙酰基-乙醇(醛)”的机理。     

合成气制乙醇的铑基催化剂中助剂铁,锂的作用本质研究

催化活性测试表明,助剂Fe具有显著提高乙醇生成选择性及铑催化活性的双重作用;助剂Li具有显著提高乙醇选择性的作用,对铑催化活性影响不大。基于H_2/D_2同位素效应结果及CO化学吸附、IR、XRD、XPS等的表征结果,认为助剂Fe经活化处理后大部分与Rh形成RhFe合金,使Rh分散度显著提高,从而提高了乙醇的选择性;Rh分散度的提高以及小部分以Fe~(2+)(Fe~(3+))形式存在的助剂Fe促进甲酰基的生成及随后的氢解断C-O键反应是助剂Fe促使铑催化活性提高的两个因素。Li的主要作用在于通过与C_2含氧中间体乙烯酮氧端的弱亲合作用,促进了乙醇前驱体的生成,从而使乙醇生成选择性提高。     

重氧水和合成气与卡宾簇合物的模型反应研究铑催化乙醇合成机理

负载在SiO_2载体上的卡宾簇合物Fe_2(CH_2)(CO)_8被用于模拟负载型铑催化剂上的卡宾吸附物种,在95℃和2.0 MPa的条件下,负载样品与含氘水的合成气作用后,得到主要产物甲烷,並伴有乙酸、乙醛、乙烯和乙烷。其中,乙酸为DCH_2COOD和CH_3COOD的混合物,这表明反应过程是经过乙烯酮和乙酰基两种中间体进行的。用重氧水(D_2~18O)为截取剂,在合成气(CO/H_2=1/2)存在下,可检测到~(18)O在乙醛、乙醇和乙酸甲酯(经乙酸通甲醇吹扫酯化)的产物,说明乙酰基和乙醛与重氧水之间存在可逆的水合交换反应。根据水合醛化机制,可以解释Katzer等观察到的同位素杂组现象。     

碳纤维负载Rh-Mn紧密接触的催化剂及其合成气制乙醇催化性能

Rh-Mn-based catalysts are promising for ethanol synthesis from syngas. In this work, a carbon fiber (CF)-supported Rh-Mn catalyst, with highly dispersed Rh and close contact Rh-Mn species, has been prepared by a new in situ polymerization route using citric acid and ethylene glycol interaction. The structure and physicochemical properties of both the calcined and reduced samples have been characterized by TPR, XRD, TEM, EDS, CO-TPD, H₂ chemisorption, and XPS techniques and the catalytic performance for ethanol synthesis from syngas has been evaluated. The results show that the new method is beneficial in forming close contact Rh-Mn species than that obtained with the conventional impregnation method. This can enhance the dispersion and sintering resistance of Rh and effectively improve the activity of CO hydrogenation and the selectivity to ethanol in ethanol synthesis from syngas.     

改良铜钴催化剂体系上由合成气制混合醇的研究

在铜钴基催化剂体系上，由合成气制备混合醇的反应在６．０ＭＰａ的条件下进行．双活性组分体系中铜和钴是以强相互作用状态而共存的，分子探针实验表明，铜和钴的并存对于确保醇的碳链增长是重要的，助剂ＭｏＯ_ｘ的加入显著提高了Ｌａ_２Ｚｒ_２Ｏ_７担载的铜钴基催化剂Ｃｏ／ＣｕＬＺ的活性和选择性，其作用主要表现为通过氢的可逆溢流效应而改善了体系的氢化性能，和增大了ＣＯ的插入反应能力。在改良催化剂体系上，获得了５３％的醇选择性和１４７ｇ／Ｋｇｃａｔ／ｈ的混合醇产率，内含３３％的高级醇。     

Ni系列催化剂上甲烷直接氧化制合成气

采用固定床流动反应装置，考察负载型Ｎｉ系列催化剂在甲烷直接氧化制合成气反应上的催化活性．空速为５．０×１０５ｈ－１，ＣＨ４／Ｏ２＝２条件下，不同Ｎｉ含量的催化剂中，１５％Ｎｉ／Ａｌ２Ｏ３活性较好．利用ＴＰＤ和ＸＲＤ技术将催化剂引发温度与催化剂组成进行关联，并在７００℃下考察空速对催化性能的影响．随着空速的增加，ＣＨ４的转化率增加，７．０×１０５ｈ－１时达到最大，与此同时，ＣＯ的选择性一直增加．实验结果说明在非平衡体系中，ＣＯ和Ｈ２是由ＣＨ４直接转化而来，ＣＯ２是ＣＯ深度氧化的产物，在此基础上对催化剂过程的机理作了初步的探讨．     

Ce-Cu-Co/CNTs催化剂催化合成气制低碳醇及乙醇的研究

采用共浸渍法制备了不同Ce含量的Ce-Cu-Co/CNTs 催化剂, 考察了其在合成气制低碳醇反应中的催化性能, 借助X射线衍射(XRD)、程序升温还原(H₂-TPR)、N₂吸脱附实验(BET)、透射电镜(TEM)和CO程序升温脱附(CO-TPD)对这些催化剂进行了表征. 结果表明, 当Ce的质量分数为3%时, 低碳醇的时空收率和选择性达到最高, 分别为696.4 mg·g^-1·h^-1和59.7%, 其中乙醇占总醇的46.8%, 适量Ce的添加能提高Cu物种在催化剂上的分散度和催化剂的还原性能, 能显著地增加催化剂吸附CO的能力, 促进合成醇活性位的形成, 进而明显提高催化剂的活性和总醇的选择性. 研究表明, 将具有高活性和高碳链增长能力的CuCo基催化剂与碳纳米管的限域效应结合, 可实现缩窄产物分布、大幅度提高乙醇选择性的目的.     

Ce-Cu-Co/CNTs催化剂催化合成气制低碳醇及乙醇的研究

采用共浸渍法制备了不同Ce含量的Ce-Cu-Co/CNTs催化剂,考察了其在合成气制低碳醇反应中的催化性能,借助X射线衍射(XRD)、程序升温还原(H2-TPR)、N2吸脱附实验(BET)、透射电镜(TEM)和CO程序升温脱附(CO-TPD)对这些催化剂进行了表征.结果表明,当Ce的质量分数为3%时,低碳醇的时空收率和选择性达到最高,分别为696.4 mg?g-1?h-1和59.7%,其中乙醇占总醇的46.8%,适量Ce的添加能提高Cu物种在催化剂上的分散度和催化剂的还原性能,能显著地增加催化剂吸附CO的能力,促进合成醇活性位的形成,进而明显提高催化剂的活性和总醇的选择性.研究表明,将具有高活性和高碳链增长能力的CuCo基催化剂与碳纳米管的限域效应结合,可实现缩窄产物分布、大幅度提高乙醇选择性的目的.     

钒促铑基催化剂上合成气反应中的H2／D2同位素效应

铑基催化剂可催化合成气生成甲烷、乙醇等,CO中C—O键断裂是该反应的关键步骤。Ⅴ助剂可显著提高Rh的催化活性,其作用本质被认为是促进了CO的直接解离。本文考察了Ⅴ助剂对Rh催化性能的影响及Rh/SiO_2、Rh-V(1:1)/SiO_2上合成气反应的H_2/D_2同位素效应,根据实验结果及键级守恒-Morse势法的计算结果初步探讨了Ⅴ助剂的作用本质。     

Cu-Fe基催化剂上合成气直接制取低碳烯烃的研究

我们采用浸渍法制备了γ-Al2O3负载的Cu-Fe基催化剂,并结合其反应性能和XRD、H2-TPR和XPS等表征结果研究了其催化合成气直接制低碳烯烃的反应行为.结果表明,合成气直接制低碳烯烃Cu-Fe基催化剂的活性组分Cu和Fe之间存在明显的协同效应,Cu-Fe基催化剂表现出优异的合成气直接制低碳烯烃反应性能;Cu基催化剂中引入少量Fe组分明显提高了活性组分Cu的分散度,促进了Cu活性组分的还原,进而有利于催化剂反应性能的改进.初步推断Cu-Fe基催化剂上合成气转化生成低碳烯烃的主要反应历程为CO加氢生成含氧化合物(醇醚等)后再脱水生成低碳烯烃.     

C=C Bond Oxidative Cleavage of BODIPY Photocages by Visible Light

Photocages for protection and the controlled release of bioactive compounds have been widely investigated. However, the vast majority of these photocages employ the cleavage of single bonds and high-energy ultraviolet light. The construction of a photoactivation system that uses visible light to cleave unsaturated bonds still remains a challenge. Herein, we report a regioselective oxidative cleavage of C=C bonds from a boron-dipyrrolemethene (BODIPY)-based photocage by illumination at 630 nm, resulting in a free aldehyde and a thiol fluorescent probe. This strategy was demonstrated in live HeLa cells, and the generated α-formyl-BODIPY allowed real-time monitoring of aldehyde release in the cells. In particular, it is shown that a mannose-functionalized photocage can target HepG2 cells.