助剂对铂-钨催化剂体系催化氢解甘油制1,3-丙二醇性能的影响

甘油作为生物柴油产业的副产物大量过剩,通过甘油氢解制备具有高附加值的丙二醇既符合原子经济的原则,又具有重要的学术意义和应用价值.尤其是选择氢解制得1,3-丙二醇,因其产物在新型聚酯材料合成中不可替代的作用而备受关注,被认为是最具工业应用潜力的甘油转化工艺之一.目前,可高选择性制得1,3-丙二醇的催化剂体系主要是为铱-铼催化剂和铂-钨催化剂两类.前期工作表明,氧化钨担载的铂单原子/准单原子催化剂(Pt/WOx)具有优异的低压活性(1 MPa氢气)和1,3-丙二醇时空收率.然而在该温和条件下,催化产物仍然以过度氢解的产物正丙醇为主.一般来讲,引入助剂可以通过改变活性组分的电子结构、覆盖不利反应位点、调变载体表面化学性质等来改变催化剂的催化活性、选择性和稳定性.我们以单原子/准单原子催化剂Pt/WOx和担载型催化剂Pt/WOx/Al2O3为催化剂母体,引入过渡金属和贵金属助剂,考察助剂对氢解反应活性和选择性的影响,并对比有无氧化铝载体时助剂对反应活性的影响.对于Pt/WOx体系,La和Fe的引入有助于甘油转化率和1,3-丙二醇选择性的提高,同时也明显地提高了催化剂的稳定性.其中0.1％ La是最佳引入量.然而,对于担载型催化剂Pt/WOx/Al2O3,La的引入在提高1,3-丙二醇选择性的同时,甘油的转化率也有一定程度下降.但由于Pt/WOx/Al2O3催化剂的本征活性较高,通过加入助剂提高1,3-丙二醇的选择性在实际应用中更为重要.表征分析表明,无论对于Pt/WOx还是Pt/WOx/Al2O3催化剂,大部分的La都在Pt颗粒上;同时La的引入提高了催化剂的酸量.在贵金属助剂中,Ru,Ir改性的Pt/WOx和Pt/WOx/Al2O3催化剂上,1,3-丙二醇的收率均有所降低,Ru助剂的降低幅度较小.相反,助剂Rh对Pt/WOx和Pt/WOx/Al2O3催化剂上反应性能的影响截然不同:Rh/Pt/WOx催化剂上1,3-丙二醇的收率从13.1％降到8.7％,Rh/Pt/WOx/Al2O3的1,3-丙二醇收率从31.5％略升到32.4％.另外,由于前期研究表明助剂铝的担载顺序对催化活性有重要影响,因此我们对铂、钨、铝的担载顺序进行了考察.研究表明,在活性组分铂上担载铝或钨物种对催化活性有一定程度的抑制;催化剂体系中钨的含量直接影响甘油的转化率和产物的选择性;含量过少时,甘油转化率极低并以1,2-丙二醇为主要产物.虽然大部分助剂对铂-钨催化剂体系没有明显的促进作用,但是助剂的添加通常可以抑制活性组分的烧结、提高催化剂的稳定性;因此,我们筛选出的La,Fe,Re,Ru,Rh等助剂仍具有深入研究的价值和工业应用的潜力.     

金属配比对IrRe催化剂结构及其甘油氢解催化性能的影响

采用分步-等体积浸渍法制备了不同Ir/Re摩尔比的Ir-Re/G-6双金属催化剂,并应用于甘油氢解制备1,3-丙二醇反应,利用XRD、TEM、H₂-TPR、XPS、NH₃-TPD、Py-IR和CO-DRIFTs等手段对催化剂进行了系统表征,探讨了Ir/Re摩尔比对Ir-Re催化剂结构、性质及其催化性能的影响.研究结果表明：Ir/Re摩尔比对Ir-Re双金属催化剂的合金结构和酸性能影响显著,并决定了其甘油氢解催化性能;当Ir/Re摩尔配比为1.0时,能形成高度分散的Ir-Re合金结构催化剂,具有最多的表面Brønsted酸性位（Ir-Re-OH）,表现出最高的甘油转化率和较好的1,3-丙二醇选择性.     

预处理温度对甘油氢解双金属Ir-Re催化剂性能的影响

在生物柴油生产过程中大量副产的甘油是重要的生物质转化平台化合物.通过甘油氢解制备高附加值的1,3-丙二醇是甘油的资源化利用的重要途径,能够显著提高生物柴油产业的经济效益,同时也是探究更复杂的糖醇类化合物氢解的模型反应.因此,甘油氢解制备1,3-丙二醇成为当前学术界的研究热点.通常,以Re或W为助剂修饰的贵金属催化剂是有效的甘油选择性氢解制1,3-丙二醇的催化剂,其中,双金属Ir-Re催化剂是目前最高效的催化剂之一.甘油氢解反应是典型的结构敏感性反应,它的催化性能依赖于双金属催化剂的结构,而后者受制备工艺条件如热处理方式及条件的影响.最近,我们报道了以直接还原法(即浸渍-还原法)制备的Ir-Re催化剂为合金结构,在甘油氢解中表现出更为优越的反应活性及目前报道中最高的1,3-丙二醇生成速率,并提出了可能的双功能反应机理,即催化剂表面的Re-OH酸性位和Ir均为甘油氢解的活性位.本文采用直接还原法制备KIT-6(具有三维有序介孔孔道结构的SiO2)负载的双金属Ir-Re催化剂,进一步研究还原温度对Ir-Re/KIT-6的结构及其催化性能的影响,揭示催化剂表面酸性在甘油氢解反应中的重要作用并阐明其构-效关系.结果显示不同还原温度(400–700 oC)制备的催化剂的比表面积、孔体积及孔径数据基本一致,表明还原温度对Ir-Re/KIT-6的织构性质的影响很小.根据程序升温还原和透射电镜-能量散射点扫描结果可知,不同温度还原后的催化剂表面Ir和Re均以金属态形式存在,同时两者存在直接的相互作用,形成了Ir-Re合金;而漫反射红外图谱上CO吸附峰的红移以及峰形的显著变化也印证了Ir-Re合金结构的形成. TEM结果显示,在400–700oC还原后得到的Ir-Re合金纳米粒子均匀分布于KIT-6上,尺寸基本一致(2.5–2.8 nm),与CO化学吸附结果一致.此外, NH3-程序升温脱附结果表明催化剂的酸量随着还原温度的升高而逐渐增大,但酸强度没有明显变化,这可能是由于高温还原进一步促进了Ir和Re的相互作用,在原子尺度上混合更为均匀所致. Ir-Re催化剂上甘油氢解反应结果显示,随着还原温度由400提高到600 oC,所制催化剂的活性先增加而后趋于稳定.由此可以认为Ir-Re催化性能的差异与Ir分散度和酸强度的关联较小,主要是由于催化剂表面酸量所致.直接关联酸量与反应活性(以反应时间内的平均1,3-丙二醇生成速率表示)可以看到,反应活性随着酸量的增加而线性增大,表明Ir-Re/KIT-6的表面酸量直接影响了甘油氢解反应速率的快慢,即酸位Re-OH直接参与了催化反应.众所周知, Re金属活化H2的能力很弱,而金属Ir在反应中起到催化加氢的作用.实验结果很好地印证了Ir-Re合金催化甘油氢解反应的双功能反应机理,即酸位Re-OH与金属Ir协同参与氢解反应,分别作为甘油吸附位和H2活化中心,因此提高催化剂的表面Re-OH的数量将是进一步提高催化活性的途径之一.总的来说,在400–700 oC还原得到的Ir-Re/KIT-6催化剂具有Ir-Re合金结构.还原温度对催化剂的织构性质、金属纳米粒子的尺寸、Ir的分散度及表面酸强度的影响不大,但还原温度的升高有利于Ir和Re的相互作用,显著提高了催化剂的表面酸量,因而提高催化活性.此外,表面酸量和反应活性的线性关系表明酸位Re-OH参与Ir-Re合金催化甘油氢解反应,印证了双功能反应机理.     

P对Cu/Al2O3催化剂结构及其催化甘油氢解反应性能的影响

采用分步浸渍法制备了P改性的Cu/Al2O3催化剂,利用N2吸附-脱附、X射线衍射、红外光谱、紫外-可见光谱、H2程序升温还原、NH3程序升温脱附和N2O解离吸附等方法对催化剂进行了表征,考察了P含量及浸渍次序对催化剂结构及其催化甘油氢解反应性能的影响.结果表明,先浸渍P再浸渍Cu时,所制Cu/Al2O3催化剂酸性较高,同时还促进了Cu的分散.随P含量的增加,催化剂的酸量及Cu分散度提高,并且Cu与P物种的相互作用增强;然而,P含量较高时会覆盖Cu,使暴露的Cu表面降低.先浸渍Cu后浸渍P时,尽管也提高了相应催化剂的酸性,但对Cu分散的影响不大,并且还会覆盖Cu使暴露的Cu表面明显降低.先浸渍P明显提高了Cu/Al2O3上甘油氢解反应性能.在220oC,3MPa,质量空速2h?1以及H2/甘油摩尔比20的条件下,当P含量由0增加至6%时,甘油转化率从17.1%升至95.0%,1,2-丙二醇选择性从83.7%升至97.2%.这可归因于催化剂酸性的提高及Cu与P间的相互作用.     

甘油催化氢解制备1,2-丙二醇催化剂研究进展

综述了近年来通过生物柴油生产过程中的副产物甘油催化氢解制备高附加值1,2-丙二醇的催化剂研究新进展.对各类催化剂的研究工作做了简要的总结,并对研究热点做出展望.     

Ni/SiO_2催化剂的合成及其甘油氢解制1,2-丙二醇性能

以硝酸镍和偏硅酸钠为原料,采用并流共沉淀和氢气还原-钝化的方法制备了Ni/Si O2催化剂,通过BET、XRD、H2-TPD、NH3-TPD、HRTEM、XPS等手段对催化剂的理化性质进行了表征,发现合成得到的Ni/Si O2催化剂具有良好的织构性质、极高的金属分散度和活性比表面积,并且对甘油氢解生成1,2-丙二醇的反应表现出良好的活性和选择性.研究还考察了催化剂的镍硅比、反应停留时间、反应压力、甘油浓度对甘油氢解性能的影响,发现在镍硅比为0.5,反应停留时间为2 h,反应压力为5.5 MPa,甘油浓度为10%的条件下,甘油的单程转化率达78.8%,1,2-丙二醇的选择性高达92.9%.     

甲酸为氢源的甘油催化选择氢解

以甲酸作为氢源, 采用铜基复合金属氧化物催化剂, 催化氢解甘油制备1,2-丙二醇, 其中液相甲酸的高选择性分解是实现甘油氢解的必要和关键步骤. 活性测试表明, 高分散的铜和ZrO₂载体间的协同作用对甲酸分解和甘油到1,2-丙二醇的转化至关重要, 20%Cu/ZrO₂催化剂的活性最佳. 由于避免使用相对昂贵的化石燃料氢, 因而该催化体系在生物质的高值利用方面具有潜在的应用前景.     

镁铝复合氧化物负载铜催化剂上甘油选择性氢解合成丙二醇

我们通过乙醇溶液浸渍法合成出了具有高分散度金属Cu 的Cu/MgO-Al₂O₃ (Mg/Al 原子比=1/1, 3/1, 4/1)、Cu/MgO 和Cu/Al₂O₃ 等催化剂. 在200℃, 6.0 MPa H₂ 和二氧六环溶剂中, 这些催化剂高选择性地将甘油氢解为1,2-丙二醇(选择性>90%), 而单位表面Cu 原子的甘油转化速率则随催化剂表面碱中心与Cu 原子比例的提高而增大. N₂O 化学吸附-H₂ 程序升温还原实验表明Cu 粒子的本征氢解能力不随其负载量以及载体中的Mg/Al 原子比发生明显改变, 加之碱性MgO-Al₂O₃ 载体本身不催化甘油的转化, 我们推测在甘油氢解反应中金属Cu 粒子与载体界面处的碱中心辅助Cu 粒子活化甘油分子的α 位C-H键, 从而加速甘油脱氢为甘油醛步骤以及甘油氢解反应的进行. CO₂程序升温脱附实验以及对甘油氢解反应中Cu/MgO-Al₂O₃ 催化剂稳定性的考察结果暗示在甘油氢解反应中起主要作用的碱中心是载体表面上与Mg²⁺键连的羟基基团(即B 碱OH^-). 这些对甘油氢解反应中金属中心与碱性中心协同作用的认识对进一步理性设计高效的甘油或其它多元醇分子氢解催化剂具有重要指导意义.     

添加助剂的低铬Cu-Cr-Si催化剂和甲酸甲酯氢解制甲醇

通过对低铬Cu-Cr-Si催化剂以及添加了不同助剂的低铬Cu-Cr-Si催化剂用于甲酸甲酯氢解反应的性能研究，发现助剂B、Zr、Ca、Ba、Mg能够有效地提高低铬Cu-Cr-Si催化剂的活性。并采用TPR、XRD等手段对催化剂进行了表征。     

Ru/TiO2催化剂上甘油氢解制1,2-丙二醇

采用浸渍法制备了负载型Ru/TiO2催化剂,利用X射线衍射、X射线光电子能谱、高分辨透射电镜、N2吸附和电感耦合等离子体原子发射光谱等方法对催化剂进行了表征,并考察了反应温度、H2压力、甘油溶液浓度、催化剂用量和碱性添加物等因素对Ru/TiO2上甘油氢解反应性能的影响.结果表明,在170℃和3MPa的温和反应条件下,以...     

High Activity and Selectivity of Cu／SiO2 Catalyst for the Direct Synthesis of Indole

Copper supported over silica exhibited very high activity and selectivity for the direct synthesis of indole at atmospheric pressure. Under the reaction temperature of 325℃,the yield of indole could obtain 88%.     

Cu/SiO2催化剂结构对乙酸甲酯加氢性能的影响

采用尿素水解法制备了Cu/SiO₂催化剂, 探究其用于乙酸甲酯(MA)加氢制取乙醇的催化性能, 并通过N₂物理吸附、X射线衍射(XRD)、程序升温还原(TPR)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等表征方法分析了催化剂的物理化学特性, 探究了铜负载量和还原温度等对催化剂结构的影响, 以及与催化活性之间的关系. 发现在铜负载量分别为10%、20%和30% (质量分数, w)的催化剂中, 铜负载量为20%的催化剂因具有较多且分散均匀的活性组分而表现出最佳的加氢效果. 接着在铜负载量为20%的催化剂上研究了还原温度(270, 350, 450 ℃)对催化性能的影响, 发现在350 ℃下还原的催化剂活性最高, 在最佳的反应条件下, 乙酸甲酯转化率达到97.8%, 乙醇选择性达到64.9% (理论最大值为66.6%), 主要归属于它具有较高的铜物种分散度, 最合适的Cu⁰/(Cu⁰+Cu⁺)摩尔比例, 同时实现了解离氢气和活化乙酸甲酯的功能.     

负载型非晶态Cu／SiO2催化剂局域结构的研究

采用ＸＰＳ和ＥＸＡＦＳ方法，研究了以ｓｏｌ－ｇｅｌ法制得的超累粉体ＳｉＯ２为载体，用化学还原沉积法制备的负载型非晶态Ｃｕ／ＳｉＯ２催化剂在甲酸甲酯氢解反应前后的表面结构和局域结构。结果表明，非晶态样品中的铜原子以零价铜的形式存在，但配位数却大幅度地低于铜樯档，意味着铜原子在高比表面超细ＳｉＯ２载体上处于高分散的非晶状态，表面悬空键显著增多，表面能增大，导致配位键收缩。     

介孔氧化硅织构效应对铜基催化剂在草酸二甲酯催化加氢合成乙二醇反应中的影响

用沉积沉淀法合成了不同织构特征介孔氧化硅负载的铜基催化剂, 并以草酸二甲酯催化加氢合成乙二醇为探针反应考察了由不同织构特性氧化硅制备的Cu/SiO₂对催化反应性能的影响, 结果表明以具有二维规整六方孔道结构的SBA-15作为载体合成的Cu/SBA-15催化剂有最佳的催化性能. 在反应温度为473 K、压力为2.5 MPa、氢酯比为50、液时空速为0.83 h^－1的条件下, 草酸二甲酯的转化率达到100%, 并且乙二醇的选择性达到95%. 采用X射线粉末衍射、N₂低温吸附、H₂-TPR, N₂O滴定、X射线光电子能谱对系列催化剂进行了系统表征, 阐述了载体织构效应对催化性能影响的本质原因. 研究表明以具有二维规整六方孔道结构的SBA-15作为载体能够影响活性铜物种的分散度和铜物种与载体间的相互作用, 这两个为草酸二甲酯加氢合成乙二醇起关键作用的因素.     

Cu/SiO2催化剂上苯胺和乙二醇一步合成吲哚的研究

采用浸渍法，制备了用于合成吲哚的Cu/SiO2催化剂，研究了不同载体和活性组分Cu对苯胺和乙二醇一步合成吲哚反应的催化活性，发现γ-Al2O3、活性炭、Na-Y，SiO2-MgO、MCM41、SiO26种载体中，SiO2是最好的载体；催化剂活性组分Cu含量为0.78mmol/gSiO2时，吲哚的收率高达88%，考察了水蒸汽、氢气、反应温度及接触时间等因素对反应性能的影响，并对催化剂进行了TG测试，得到了Cu/Sio2催化剂催化合成吲哚适应反应条件。     

铁促进的Cu/SiO2-Al2O3催化剂上高效气相合成3-甲基吲哚

以苯胺和生物质来源的丙三醇为反应原料,在铁促进的Cu/SiO2-Al2O3催化剂上气相合成了3-甲基吲哚,采用X射线光电子能谱、氢气程序升温还原(H2-TPR)、X射线衍射、透射电子显微镜、电感耦合等离子体发射光谱(ICP)、氨程序升温脱附(NH3-TPD)以及热重(TG)分析等技术对催化剂进行了表征.结果表明,向Cu/SiO2-Al2O3催化剂加入铁助剂不仅能明显提高催化剂的活性和选择性,而且能大大改善催化剂的稳定性.在Cu-Fe/ SiO2-Al2O3催化剂上,反应3h,3-甲基吲哚收率能够达到48％,而且催化剂经过再生可以重复使用,即使反应43 h,其产物收率也没有明显的降低.各种表征表明,向Cu/SiO2-Al2O3加入铁助剂能增强铜和载体之间的相互作用,由此大大提高了铜粒子在载体表面的分散度,并且有效减少了反应过程中铜组分的流失;此外,铁助剂还能显著减少催化剂的中强酸中心数,增加弱酸中心数,从而提高3-甲基吲哚的选择性,并且抑制了积炭的形成.     

Cu/SiO2模型催化剂上甲醇部分氧化制氢反应研究

采用浸渍法，制备了不同组成的Cu/SiO2、Cu/Zn/SiO2催化剂，考察了Cu负载量及Cu/Zn比对甲醇部分氧化抽制氢（CH3OH|1/2O2→2H2 CO2）反应的影响，结果显示，当Cu的负载量为10％、Cu/Zn比为7：3时，催化剂活性最好。H2-TPR、XRD、XPS等表征结果表明，催化剂的制氢活性与Cu^0有关，而大量Cu^ 与Cu^2 的存在则不利于催化剂活性的提高。Zn助剂的引入，有利于分散Cu^0物种，提高催化剂的活性；但由于同时稳定了Cu^ 物种，导致Cu2O物种的大量生成，从而提高了催化剂的还原温度，抑制了Cu^0的氧化还原过程（Cu^2 →Cu^ →Cu^0或Cu^ →Cu^2 ），降低了催化剂的活性。因此，对于Cu/Zn/M催化剂，存在一个最佳的Cu/Zn比。     

助剂Cr对Cu/SiO2催化碳酸酯加氢制甲醇性能的影响

碳酸酯催化加氢制甲醇作为二氧化碳定向转化的间接路径具有重要意义.采用蒸氨法合成了一系列助剂铬修饰的Cr_x-Cu/SiO₂催化剂，系统考察了其对碳酸二乙酯催化加氢性能的影响.研究表明，3 wt%铬修饰量的催化剂活性最优.在反应温度503 K、氢气压力2.5 MPa及液时空速1.0 h^-1条件下，碳酸二乙酯的转化率可达99%，目标产物甲醇的收率和时空得率分别为86.2%和5.6 mmol_MeOH·g_cat^-1·h^-1.采用X射线粉末衍射（XRD）、N₂吸脱附、透射电镜（TEM）、氢气程序升温还原（H₂-TPR）、X射线光电子能谱（XPS）和原位漫反射傅里叶变换红外光谱（In-situ DRIFTS）等手段表征了铬的修饰对催化剂物化性质的影响.结果表明，相较于未修饰的Cu/SiO₂催化剂，少量铬修饰所得Cr_x-Cu/SiO₂催化剂表面活性铜物种的分散度显著提高，且由部分铜和铬相互作用形成的亚铬酸铜物相优化了不同价态铜物种的表面分布状况及催化剂对底物的吸附构型，有效提升了其对碳酸二乙酯催化加氢制甲醇的反应性能和稳定性.     

X-射线吸收谱原位表征Cu-Zn/SiO2催化剂Cu价态

铜基催化剂的价态组成与制备方法、还原温度有关,也是决定其催化性能的关键因素.本文对比研究Cu-Zn/SiO₂和Cu/SiO₂催化剂前驱体在不同还原温度下的价态组成及其醋酸甲酯加氢性能.采用同步辐射X射线吸收谱原位表征催化剂前驱体的Cu K边的X射线近边吸收谱（XANES）,通过线性组合分析方法（LCF）拟合XANES吸收谱得到了催化剂前驱体在不同还原温度下氧化态（Cu²⁺、Cu⁺）和金属态（Cu⁰）的组分含量.结果表明：（1）采用蒸氨法添加Zn制备的Cu-Zn/SiO₂催化剂前驱体铜组分还原度高;（2）催化剂前驱体在还原过程中Cu⁺主要存在于低温还原阶段（<250℃）,且Cu⁰+Cu⁺含量较低（≤ 40%）;（3）金属态铜是醋酸酯加氢反应的活性中心.