1,4-丁炔二醇选择性加氢催化剂的研究

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随着化工产业快速发展,具有高经济价值的精细化学品引起了广泛关注,特别是在医药、纺织、电池、军工等领域。而1,4-丁烯二醇(BED)是其合成过程中的一种重要基本有机原料。目前国内生产BED主要是采用Reppe法工艺,通过多相加氢催化剂(Lindlar催化剂)将1,4-丁炔二醇(BYD)半氢化为BED。然而,Lindlar催化剂在催化反应过程时存在产物选择性低、催化剂寿命较短和稳定性差等问题,同时还会引起环境的污染。因此,研究氢气吸附活化、产物吸附、载体性质以及活性组分结构对于选择性的影响,探究这些关键问题对于设计高选择性和高稳定性的加氢催化剂具有重要的指导意义。本论文从载体性质和活性组分结构入手,研究了载体性质和活性组分结构对氢气活化和底物BYD、产物BED吸附的影响。同时重点探讨了催化加氢反应中催化剂的电子效应和结构效应对产物选择性的影响。从而得出了BYD选择性加氢的控制机制和催化加氢机理。本论文主要研究内容和实验结论如下:(1)凝胶-溶胶法合成MgTiO3作为载体负载金属Pd制备得到Pd/MgTiO3催化剂,活性测试结果表明Pd/MgTiO3催化剂对BYD催化加氢具有较好的选择性,在低温下对BED的选择性可高达100%。进行CO-TPD测试发现,不同结构载体的催化剂对于CO吸附强弱存在较大差异,这主要是由于MgTiO3作为载体时,其结构中存在的变价Tix+能与金属Pd发生强烈相互作用,载体与Pd之间发生电荷转移,从而改变Pd的表面电子状态,进一步通过XPS分析发现Pd/MgTiO3催化剂的活性金属呈现出富电子状态,这种富电子状态抑制了活性金属Pd对于氢气吸附活化,同时还减弱了对于烯烃BED的吸附,从而实现BED的高选择性。并且对Pd/MgTiO3催化剂进行稳定性测试后发现,该催化剂拥有较好的稳定性和抗积碳性能。(2)通过浸渍还原将Ni、Bi金属负载于介孔SiO2上制备得到双金属NiBix/SiO2催化剂,分析结果表明第二金属Bi能够增大Ni原子的间距,造成了Ni原子之间的孤立,影响了BYD在Ni活性位点上的吸附模式,避免在加氢反应过程中形成活性类的中间体。并且随着还原温度的增加,对其结构影响更为显著。同时由于Bi丰富的外层未成对电子可与金属Ni之间存在电子效应,通过增加Ni的电子云密度减弱Ni对氢气的吸附活化,并且还可以对中间体BED在活性位点上的吸附造成影响,使其容易从活性位点上脱附,从而提高对BED的选择性。研究表明NiBi双金属催化剂对于BED的选择性可高达90%以上。因此,第二金属Bi对Ni的结构效应和电子效应明显增强了Ni对于BED的选择性,并且Ni、Bi双金属催化剂的稳定性和抗积碳性能也明显优于单纯以Ni为活性组分的催化剂。综上的研究结果可为高稳定性和高选择性加氢催化剂的制备提供基础理论指导,具有重要的现实意义。
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