胡善紅,范建一,邵帥,2*,李春生*,陳國柱
(1.濟(jì)南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,山東 濟(jì)南 250024;2.山東魯泰控股集團(tuán)有限公司 石墨烯高分子復(fù)合材料研發(fā)中心,山東 濟(jì)寧 272000)
苯乙烯是生產(chǎn)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯和丁苯橡膠的重要單體,但苯乙烯中苯乙炔的存在,不僅影響聚合過程中催化劑消耗量,而且影響聚合產(chǎn)物鏈長和聚合速率[1-2]。因此,除去苯乙烯單體中的苯乙炔對(duì)于制備高純苯乙烯具有重要的工業(yè)意義。在高純苯乙烯單體制備方法中,苯乙炔半加氫是獲得苯乙烯最有效的途徑之一。目前,Pd/C是催化苯乙炔半加氫反應(yīng)使用最廣泛的催化劑[3-4]。然而,單金屬Pd活性位對(duì)氫有強(qiáng)親和力,導(dǎo)致苯乙炔完全加氫生產(chǎn)副產(chǎn)物烷烴,降低了苯乙烯的選擇性[5]。因此,亟需開發(fā)一種高活性、高選擇性的苯乙炔半加氫催化劑。
研究表明,相比單金屬催化劑,Pd-M(M為非貴金屬)雙金屬之間的幾何效應(yīng)與電子效應(yīng)能有效提升催化劑活性,同時(shí)貴金屬合金化能有效降低催化劑生產(chǎn)成本,因而具有重要的工業(yè)意義。Pd-M雙金屬催化劑中,Pd-Co、Pd-Ni等在液相選擇性加氫反應(yīng)表現(xiàn)出高活性和高選擇性[6-7]。除活性組分外,載體的選擇同樣是影響催化劑活性的關(guān)鍵因素之一。近年來,金屬-有機(jī)框架材料(Metal-Organic-Frameworks,MOFs)因其豐富的不飽和金屬位點(diǎn)、較好的熱穩(wěn)定性、豐富的孔結(jié)構(gòu),被廣泛用作催化劑載體[8]。相比MOFs,通過部分去除有機(jī)配體獲得的準(zhǔn)MOFs不僅仍保留原有MOFs的結(jié)構(gòu)特征,保留高比表面積和孔道結(jié)構(gòu),更重要的是,殘留的有機(jī)配體影響反應(yīng)底物的吸附,使得準(zhǔn)MOFs成為一類獨(dú)特的金屬粒子載體。譬如,本課題組前期工作中利用準(zhǔn)Ce-MOFs載體負(fù)載Pt顆粒用以糠醛選擇性加氫。與高溫(600 ℃)下完全煅燒獲得的CeO2為載體負(fù)載Pt催化劑相比,準(zhǔn)MOFs為載體的催化劑表現(xiàn)出更高的催化活性和選擇性[9]。盡管準(zhǔn)MOFs為載體負(fù)載貴金屬粒子已有報(bào)道,但大都是單金屬顆粒,以準(zhǔn)MOFs為載體負(fù)載雙金屬顆粒有望在催化反應(yīng)中,既能體現(xiàn)準(zhǔn)MOFs的載體效應(yīng),又能發(fā)揮金屬顆粒的合金效應(yīng)。
反應(yīng)底物的傳質(zhì)同樣影響苯乙炔半加氫催化反應(yīng)的性能。氣態(tài)氫作為氫源被廣泛應(yīng)用于加氫反應(yīng),然而氫氣難溶于有機(jī)溶劑,抑制了苯乙炔半加氫反應(yīng)中的傳質(zhì)過程[10]。為此,一般采取高溫、高壓等苛刻的反應(yīng)條件,促進(jìn)氫氣與液相體系中催化劑、反應(yīng)底物氣-固-液三相接觸。最近,研究者通過串聯(lián)兩個(gè)獨(dú)立催化反應(yīng),實(shí)現(xiàn)原位供氫,有效提升液相中反應(yīng)底物與固體催化劑的接觸,提高了傳質(zhì)和催化反應(yīng)效率。在眾多供氫劑中,氨硼烷具有高含氫量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)19.4%)、輸運(yùn)方便和環(huán)境友好等特點(diǎn),同時(shí)室溫可實(shí)現(xiàn)氨硼烷催化脫氫,是一種理想的供氫劑[11-12]。值得注意的是,Pd基雙金屬催化劑不僅可催化氨硼烷脫氫[13],同時(shí)在苯乙炔半加氫反應(yīng)中也具有高催化活性[14]?;诖?本文以準(zhǔn)NH2-Ce-BDC為載體,負(fù)載PdCo納米顆粒,制備了PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑,對(duì)比研究了Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC、Co/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑在串聯(lián)加氫反應(yīng)中的性能。結(jié)果表明,PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC雙金屬催化劑在氨硼烷脫氫和苯乙炔半加氫的串聯(lián)反應(yīng)中表現(xiàn)出最佳催化性能。
乙醇(CH3CH2OH)、氫氧化鈉(NaOH)、氯化鈰(CeCl3·7H2O)、氯化鈀(PdCl2)、氯化鈷(CoCl2),國藥化學(xué)試劑有限公司;2-氨基對(duì)苯二甲酸(C8H7NO4)、氨硼烷(NH3BH3)、苯乙炔(C8H6),麥克林生物科技有限公司。
PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑的制備主要分為三步,如圖1所示。合成準(zhǔn)NH2-Ce-BDC的過程如下:將550 mg NH2-BDC分散在去離子水(110 mL)中,然后緩慢滴加NaOH(1 mol·L-1)調(diào)節(jié)懸浮液pH值至5~6,隨后加入484 mg CeCl3·7H2O,攪拌均勻后,靜置40 min。離心分離,沉淀物用去離子水洗凈,然后在70 ℃干燥12 h,得到NH2-Ce-BDC。將得到的NH2-Ce-BDC在N2氣氛中300 ℃焙燒2 h,得到準(zhǔn)NH2-Ce-BDC。
圖1 PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑合成的示意圖
通過浸漬法制備PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC,Pd、Co的理論負(fù)載量均為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。具體負(fù)載步驟:將100 mg制備的準(zhǔn)NH2-Ce-BDC載體分散在1 mL去離子水中,把167 μL PdCl2溶液(0.01 g·mL-1)和848 μL CoCl2溶液(20 mmol·L-1)加入上述懸浮液中,室溫?cái)嚢?4 h,然后60 ℃干燥12 h。得到的固體在V(N2)∶V(H2)= 27 mL∶3 mL的氣氛中250 ℃還原2 h,得到PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC。作為對(duì)比,用浸漬法以準(zhǔn)NH2-Ce-BDC為載體分別浸漬Pd或Co,制備了Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC和Co/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC。
在雙頸圓底燒瓶中,將催化劑(5 mg)和苯乙炔(50 μL)分散在6 mL乙醇中,將裝滿水的氣體滴定管連接到反應(yīng)瓶上,測量和儲(chǔ)存反應(yīng)生成的氫氣。用注射器將氨硼烷溶液(0.8 mL,1 mol/L)注入混合物中,開始計(jì)時(shí)反應(yīng)。反應(yīng)一定時(shí)間后,用注射器提取反應(yīng)混合物,離心分離催化劑。用島津GC-MS-2020 plus(蠟柱長度:30 m,內(nèi)徑:0.25 mm,膜厚:0.25 mm)對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行分析。首先將柱溫保持在50 ℃下3 min,然后加熱至250 ℃,升溫速率為10 ℃·min-1,并將溫度在250 ℃下繼續(xù)保持3 min。用方程式(1)和(2)計(jì)算苯乙炔的轉(zhuǎn)化率和苯乙烯的選擇性。苯乙烯、乙苯的含量通過外標(biāo)法計(jì)算獲得。
(1)
(2)
首先采用FT-IR對(duì)不同樣品的表面官能團(tuán)進(jìn)行了表征,結(jié)果如圖2所示?!? 246 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)于NH2-Ce-BDC中C-N的變形振動(dòng)[15-16],1 544,1 421和1 382 cm-1的吸收峰歸屬于羧酸基團(tuán)的振動(dòng)[17-18]。此外,1 626 cm-1處的峰值與-NH2的N-H彎曲振動(dòng)有關(guān),而836和775 cm-1處的峰值則指認(rèn)為Ce-MOFs中Ce-O鍵的彎曲振動(dòng)[19]。顯然,經(jīng)過300 ℃焙燒后NH2-Ce-BDC配體未完全脫除,仍保留部分官能團(tuán)。XRD表征了樣品的晶體結(jié)構(gòu),并與對(duì)比樣品進(jìn)行了比較。如圖3(a)所示,NH2-Ce-BDC的XRD譜圖在5°~15°范圍內(nèi)出現(xiàn)尖銳衍射峰,與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致[20],這說明成功合成NH2-Ce-BDC。NH2-Ce-BDC焙燒后XRD衍射峰變寬,但沒有大的位移,這可能是由于衍射峰的強(qiáng)度減弱所致[21]。由此可知,經(jīng)300 ℃焙燒的準(zhǔn)NH2-Ce-BDC仍保留MOFs的特征峰。負(fù)載上金屬后的XRD譜圖(圖3(b))與準(zhǔn)NH2-Ce-BDC相似,說明準(zhǔn)NH2-Ce-BDC的晶型不受浸漬、還原過程的影響。此外,未觀測到屬于Pd、Co顆粒的特征峰,這可能與樣品中金屬顆粒負(fù)載量低、尺寸較小、呈高度分散態(tài)有關(guān)[22]。
圖2 NH2-Ce-BDC和準(zhǔn)NH2-Ce-BDC的FT-IR光譜
圖3 NH2-Ce-BDC、準(zhǔn)NH2-Ce-BDC、PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC、Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC和Co/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC樣品的XRD譜圖
SEM和TEM表征了NH2-Ce-BDC、準(zhǔn)NH2-Ce-BDC以及負(fù)載金屬顆粒后樣品的形貌。如圖4(a)所示,NH2-Ce-BDC呈立方體結(jié)構(gòu),表面平整,平均棱長約為3.5 μm,焙燒后準(zhǔn)NH2-Ce-BDC仍然保持立方體形貌,表面無明顯孔出現(xiàn)(圖4(b))。負(fù)載金屬顆粒后,樣品依然呈現(xiàn)立方體結(jié)構(gòu)(圖4(c)所示)。從HRTEM圖像來看,0.226 和0.205 nm的晶格間距分別對(duì)應(yīng)于Pd納米顆粒(111)晶面[23]和Co納米顆粒的(111)晶面[24],而PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC中0.216 nm的晶格間距處于單金屬Pd(111)晶面與Co(111)晶面晶格間距之間,說明PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC中形成Pd-Co雙金屬合金結(jié)構(gòu)[25]。通過元素分布圖,更能清晰地看到目標(biāo)樣品中Pd、Co、Ce元素高度分散于立方體結(jié)構(gòu)的粒子中,說明PdCo雙金屬粒子成功負(fù)載于準(zhǔn)NH2-Ce-BDC。
圖4 NH2-Ce-BDC(a)、準(zhǔn)NH2-Ce-BDC(b)、PdCo/準(zhǔn) NH2-Ce-BDC(c)的SEM圖和PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC(d)、 Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC(e)、Co/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC(f)的 HRTEM圖;(g)~(j)是PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC中 N,Ce,Pd,Co的mapping譜圖
圖5所示為樣品的氮?dú)馕?脫附等溫線和孔徑分布。由圖5(a)可知,所有樣品均表現(xiàn)出IV型等溫線,并在P/P0>0.6的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)明顯H3型回滯環(huán),說明樣品為介孔材料,同孔徑分布結(jié)果一致[26]。樣品的BET比表面積、孔體積數(shù)據(jù)見表1。PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC的比表面積為11.45 m2·g-1,略低于準(zhǔn)NH2-Ce-BDC的比表面積,負(fù)載金屬顆粒后樣品的比表面積、孔隙體積和孔徑分布差別不大,這說明負(fù)載金屬后未破壞樣品的微觀結(jié)構(gòu)。
圖5 準(zhǔn)NH2-Ce-BDC、PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC、 Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC和Co/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC的 N2吸附等溫線(a)及孔徑分布(b)表1 準(zhǔn)NH2-Ce-BDC、PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC、Pd/準(zhǔn) NH2-Ce-BDC和Co/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC的比表面積和孔體積
樣品BET表面積/(m2·g-1)孔體積/(cm3·g-1)準(zhǔn)NH2-Ce-BDC14.070.062PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC11.450.060Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC13.290.066Co/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC17.860.072
形貌和結(jié)構(gòu)表征結(jié)果說明PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC中PdCo合金化,基于此,采用XPS對(duì)PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC樣品的元素價(jià)態(tài)進(jìn)行了解析。如圖6(a)所示,O 1s XPS譜圖529.3和531.16 eV結(jié)合能處的峰歸屬于樣品表面化學(xué)吸附氧(Osur)和晶格氧(Olat)[27]。Ce 3d XPS譜圖包含兩種Ce物種,881.6,902.8,886.1,907.54,899.6和916.6 eV處的特征峰歸屬于Ce4+物種,884.2和904.6 eV的峰對(duì)應(yīng)于Ce3+(圖6(b)),說明PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC載體中Ce3+和Ce4+的氧化態(tài)共存。在圖6(c)中,Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC樣品Pd0的3d5/2峰在335.1 eV,摻雜Co物種后PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC的Pd0結(jié)合能出現(xiàn)正遷移,遷移量為0.5 eV,而PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC中Co02p3/2峰(777.9 eV)相對(duì)于Co/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC的Co02p3/2峰(778.4 eV)向較低的結(jié)合能偏移,這說明PdCo合金化過程中存在電子轉(zhuǎn)移,Pd作為供體失電子,Co作為受體得電子,合金化電子轉(zhuǎn)移過程使 PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC中Pd原子呈現(xiàn)缺電子態(tài),缺電子態(tài)Pd活性位更有利于加氫反應(yīng)[28]。
金屬顆粒尺寸不同,表面吸附CO形式將會(huì)不同,因此采用CO-DRIFTS表征了PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC中Pd的結(jié)構(gòu),結(jié)果見圖7。
圖6 PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC、Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC和Co/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC的O 1s XPS光譜圖(a)和
Ce3dXPS光譜圖(b);(c)為PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC和Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC的Pd3dXPS光譜圖;
(d)為PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC和Co/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC的Co2pXPS光譜圖
圖7 PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC、Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC和Co/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC的 CO吸附[(a),(b),(c)]及解吸光譜[(d),(e),(f)]
由圖7可以看出,所有樣品均出現(xiàn)CO的線式吸附峰(2 112,2 174 cm-1)[29],而Pd基樣品的紅外光譜中,在~1 890 cm-1處出現(xiàn)新的吸附峰,該峰歸屬于CO在金屬Pd表面的橋式化學(xué)吸附[30],并且隨著吸附時(shí)間的延長,PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC樣品的吸附峰強(qiáng)度增加顯著,而Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC樣品吸附峰強(qiáng)度變化較小,這說明CO在PdCo合金位點(diǎn)上的吸附態(tài)更加穩(wěn)定。吸附結(jié)束后經(jīng)N2吹掃脫附,CO的線式吸附峰隨脫附時(shí)間增加逐漸消失,而~1 890 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度隨N2吹掃強(qiáng)度不變,這說明CO在Pd金屬表面的橋式化學(xué)吸附態(tài)更穩(wěn)定[31]。值得注意的是,隨著脫附時(shí)間延長,在Pd負(fù)載量相同的情況下,與單金屬Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC樣品相比,雙金屬PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC的CO橋式化學(xué)吸附峰強(qiáng)度更強(qiáng),這說明雙金屬催化劑中PdCo合金的分散性更好[32]。
在常溫常壓條件下,對(duì)比研究了合成催化劑催化苯乙炔串聯(lián)反應(yīng)的加氫性能,結(jié)果見圖8。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,苯乙炔轉(zhuǎn)化率逐漸增加,PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC在25 min時(shí)苯乙炔轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%,苯乙烯收率為85%,然而在相同反應(yīng)條件下單金屬Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑苯乙烯最佳收率僅為49%, Co/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC在測試條件下則無催化活性。在苯乙炔串聯(lián)催化反應(yīng)中,氨硼烷脫氫速率同樣影響加氫活性。如圖8(d)所示,對(duì)比測試了不同催化劑的氨硼烷脫氫性能,從產(chǎn)氫速率可以看出,PdCo雙金屬催化劑表現(xiàn)出最優(yōu)氨硼烷脫氫活性,常溫常壓反應(yīng)15 min,PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑產(chǎn)氫量是Pd單金屬催化劑的1.06倍,而Co基催化劑幾乎無氨硼烷脫氫活性。因此,結(jié)合上述催化劑串聯(lián)反應(yīng)結(jié)果可知,PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑中PdCo金屬合金化過程中電子效應(yīng)導(dǎo)致Pd為缺電子態(tài),缺電子態(tài)Pd更有利于氨硼烷原位產(chǎn)氫和對(duì)反應(yīng)底物苯乙炔的吸附[33],提高了苯乙炔串聯(lián)反應(yīng)加氫性能。
為了深入探究雙金屬PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑中合金效應(yīng)與苯乙炔加氫反應(yīng)的構(gòu)效關(guān)系,將單金屬Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC和Co/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑物理混合后用于苯乙炔串聯(lián)加氫反應(yīng),在常溫常壓反應(yīng)條件下物理混合催化劑苯乙炔轉(zhuǎn)化率為48%,苯乙烯的收率僅為47%,加氫性能遠(yuǎn)低于雙金屬PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑,這說明 PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑中PdCo之間的電子效應(yīng)可以提升Pd的催化活性,PdCo合金化過程中 Pd作為供體失電子,Co作為受體得電子, PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑中缺電子態(tài)Pd更有利于反應(yīng)底物的吸附活化,提高了苯乙炔的半加氫反應(yīng)性能[34]。同時(shí),PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑中Pd、Co雙金屬之間的電子效應(yīng)可以抑制Co的氧化[35]。
反應(yīng)條件:5 mg催化劑;50 μL反應(yīng)底物;6 mL乙醇;0.8 mL AB(1 mol/L);30 ℃
在苯乙炔選擇性加氫串聯(lián)反應(yīng)中氨硼烷脫氫作為原位氫源,與外加氣態(tài)氫源相比,原位產(chǎn)氫更有利于活化氫物種與反應(yīng)底物接觸,提高傳質(zhì)效率。如圖9(a)所示,以外加氫氣(0.5 MPa)為氫源,常溫常壓反應(yīng)25 min,PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑的苯乙炔轉(zhuǎn)化率為100%,苯乙烯收率僅為40%,遠(yuǎn)低于串聯(lián)反應(yīng)中原位產(chǎn)氫作氫源的催化性能。在串聯(lián)催化中,與外加氣態(tài)氫源相比,氨硼烷原位產(chǎn)生的活性氫可參與苯乙炔加氫反應(yīng),提高了氣-固-液三相之間的傳質(zhì)速率[36]以及加氫反應(yīng)的催化活性。
反應(yīng)條件:10 mg催化劑;100 μL反應(yīng)底物;12 mL乙醇,0.5 MPa H2,30 ℃。
以準(zhǔn)NH2-Ce-BDC為載體,采用浸漬法負(fù)載金屬,并通過H2還原等一系列步驟制得了雙金屬PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑,對(duì)比研究了其氨硼烷脫氫和苯乙炔選擇性加氫串聯(lián)催化反應(yīng)性能,并結(jié)合XRD、XPS、CO-DRIFTS等表征手段,探明了催化劑結(jié)構(gòu)與加氫性能間的構(gòu)效關(guān)系。XRD和XPS等表征結(jié)果表明,PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC中PdCo合金活性位與載體之間具有協(xié)同效應(yīng),同時(shí)PdCo合金表現(xiàn)出電子效應(yīng),Pd作為供體失電子,Co作為受體得電子,合金化電子轉(zhuǎn)移過程使 PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC中Pd原子呈現(xiàn)缺電子態(tài),相比Pd/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC和Co/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑,PdCo/準(zhǔn)NH2-Ce-BDC催化劑中缺電子態(tài)Pd合金活性位展現(xiàn)出最優(yōu)的催化性能,在常溫常壓下,25 min實(shí)現(xiàn)苯乙炔100%轉(zhuǎn)化,苯乙烯收率達(dá)到85%。對(duì)比實(shí)驗(yàn)指明,氨硼烷的原位產(chǎn)氫提高了氣/固/液相接觸和傳質(zhì)效率,更有利于串聯(lián)催化反應(yīng)。