铈铁氧化物—贵金属复合催化剂的合成及选择催化加氢性能研究

发布时间：2018-02-23 02:55

本文关键词： 氧化还原法 Pd/CeO_2催化剂 Pt/Fe_3O_4 催化剂选择催化加氢　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：当前,传统化石资源短缺引起的能源危机、其燃烧产生的污染物以及利用成本的不断增加,使得可再生资源受到越来越多的关注。生物质作为地球上最丰富的含碳可再生资源,不仅是化石燃料的理想替代品,而且可以作为原材料通过各种物理或化学方法转变为各类高附加值化学品。因此,生物质的高效转化和利用已经成为新的研究热点。生物质基含氧化合物,特别是不饱和类化合物,是生物质转化过程中重要的中间体及平台分子,通过催化反应可以将这类化合物转化为附加值更高的精细化学品。加氢脱氧及选择性催化还原是不饱和含氧化合物转化为高附加值化学品最为有效的转化方式,其着眼点在于发展具有普适性的高活性催化剂。针对当前生物质衍生不饱和化合物(如不饱和羧酸及醛酮)在选择性催化加氢过程中存在的一些问题,如催化剂制备过程复杂、应用稳定性差、活性组分易流失和团聚以及反应条件苛刻(需要高温、高压)等,本论文采用一种简单、绿色、有效的方法合成高活性氧化物-金属复合催化剂,实现在温和反应条件下生物质衍生不饱和化合物的选择性催化加氢还原,并揭示催化剂的组成、结构等因素与其催化加氢性能的内在关联性,主要研究内容和取得的成果如下:1、利用Pd(Ⅱ)与Ce(Ⅲ)前驱体还原电势差引发的氧化还原反应一步合成二氧化铈-钯复合催化剂(Pd/Ce02)。结果表明,活性金属Pd的平均颗粒尺寸约8 nm,高度分散在Ce02颗粒中,CeO2颗粒的包覆和阻隔作用能够有效抑制Pd纳米粒子的团聚长大,因而有效提高了活性金属Pd的催化活性和稳定性。本章以典型的生物质平台分子乙酰丙酸为目标反应物,在363 K,4barH2,90min的反应条件下,此催化剂可以将乙酰丙酸完全转化为Y-戊内醋。此外,该催化剂也展现了良好的循环稳定性,在重复使用5次后,其催化活性未见明显下降。2、利用Pt(Ⅳ)与Fe(Ⅱ)前驱体还原电势差引发的氧化还原反应一步合成四氧化三铁-铂复合催化剂(Pt/Fe3O4)。以含有共轭C=C和C=O键的肉桂醛为目标反应物,最优条件下制备的Pt/Fe304展现出优异的肉桂醛催化加氢活性。在303 K,5 bar H2,150 min的反应条件下,肉桂醛的转化率和肉桂醇的选择性可以达到94.2%和92.2%。催化剂在连续使用5次后,其催化活性未见明显下降,表明其具有较好的循环稳定性。其优异的催化活性和稳定性主要归因于以下几点:一方面,Fe3O4良好的电子调节能力可以有效增加金属Pt的表面电子密度,促使肉桂醛的C=O键优先吸附在Pt金属表面,提高了肉桂醇的选择性;另一方面,Fe3O4颗粒的阻隔作用可以有效抑制Pt纳米粒子的团聚,提高Pt纳米粒子的分散性、催化活性及稳定性;再次,Fe3O4固有磁性加快了催化剂从反应液体中分离的速度,有利于抑制催化剂活性金属的流失,因此催化剂可以保持高的催化活性和循环稳定性。3、Pt/Fe3O4催化剂在肉桂醛选择加氢反应中展现出良好的催化活性和肉桂醇选择性,但必须提供额外的H2来促使反应进行。氢转移剂(如异丙醇等)作为氢供体利用Meerwein-Ponndorf-Verley(MPV)反应能够在不提供额外H2的条件下实现对不饱和醛或酮的选择性加氢还原。因此,在本章中首先利用Pt(Ⅳ)与Fe(Ⅱ)前驱体还原电势差引发的氧化还原反应制备Pt/Fe3O4复合物;然后将它负载到多孔、高比表面的活性炭载体上合成活性炭负载型Pt/Fe3O4催化剂,以异丙醇为氢转移剂,在肉桂醛选择催化加氢反应中表现出较好的催化活性,在393 K,6 h的反应条件下,肉桂醇的选择性可以达到95%,而且催化剂具有一定的循环稳定性。4、催化材料合成方法和催化反应的普适性是评价催化材料是否具有工业应用价值的重要标准。在本章中我们利用不同金属与载体还原电势差引发的氧化还原反应合成氧化物-金属复合纳米材料,并将这种材料与大比表面积的活性炭复合得到了活性炭负载型M/NOx催化剂(M= Pd、Pt和Ru,NOx=CeO2和Fe3O4),所发展的催化剂在多种α,β-不饱和醛(肉桂醛、α-甲基肉桂醛、巴豆醛、柠檬醛、2-甲基-2-戊烯醛和3-(2-呋喃基)-丙烯醛)的催化加氢反应中都展现出良好的催化活性和选择性。实验结果表明,本章中采用的催化材料合成方法具有较好的普适性,而且合成的催化剂适用于多种α,β-不饱和醛的选择催化加氢反应,这为催化剂将来商业化应用奠定了基础。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36

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