负载型钯和铜催化剂的合成及其催化转移加氢机理研究

来源 :武汉纺织大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wu21211721
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苯胺及其衍生物是制造各种重要化学品(包括染料、药物和橡胶添加剂)的重要中间体,一般通过化学还原相应硝基芳烃及其衍生物而合成。选择性加氢是利用有机化合物合成精细化学品或药物最有效的方法之一,常应用于实验室和工业生产。目前常用的加氢方式主要有两种,一种是用高压H2直接加氢,另一种是用有机氢供体进行催化转移加氢(CTH)。工业上对高压氢的处理会产生巨大的设施成本,经济效率较差,阻碍了加氢工业的可持续发展。因此,迫切需要通过非均相催化剂利用活性氢原子(H*)进行环境友好、成本效益高且可回收的加氢工艺。然而,在底物中存在其他敏感基团(例如卤素、烯烃、炔烃或酮)的情况下,将硝基高效选择性地转化为胺基仍然是一个巨大的挑战。商业金属催化剂如Raney Ni难以实现高化学选择性,甚至在反应过程中出现中毒或浸出的现象。因此,开发研究出具有高稳定催化活性和高化学选择性的催化加氢还原硝基芳烃及其衍生物的催化剂是非常有必要的。本论文通过分别在二维片状Ti3C2MXene和SnO2纳米球上负载金属,研究催化加氢还原硝基苯和对硝基苯酚(4-NP)的性能,并通过密度泛函理论(DFT)计算分析催化活性提升的机理。具体研究内容如下:1.采用液相还原法Pd纳米颗粒(NPs)锚定在层状Ti3C2MXene上,以在甲酸存在条件下对硝基苯进行高效和选择性的催化转移加氢(CTH)。通过XPS数据和DFT模拟证实,在形成Ti3C2/Pd纳米复合物后,Pd NPs中的一些电子转移到Ti3C2MXene。这种电子转移使Pd的价电子构型从4d10变为4d10-x的未排满状态。这种缺电子的Pd NPs调整优化了反应途径并促进了甲酸的解离,这两者都有利于活性H*原子产生,即CTH的实际还原剂。与Pd NPs相比,Ti3C2/Pd对H*的吸附更强,因此抑制了HER(2H*→H2)的发生。由于有利的H*产生和HER抑制,Ti3C2/Pd(15 wt%Pd)表现出增强的硝基苯CTH性能,转换频率(TOF)为351.7 h-1,苯胺选择性为99%,优于当前的大多数催化剂。我们的工作可能会通过使用2D MXene材料调整其价电子结构对设计性能优异的CTH催化剂具有很好的启发性。2.采用水热还原法制备了SnO2/Cu的纳米催化剂,研究了其对硼氢化钠(Na BH4)还原对硝基苯酚反应的催化性能。通过XPS数据和DFT模拟证实,在SnO2/Cu纳米复合物中,Cu NPs的部分电子转移到SnO2上。这种电子转移改变了Cu电子结构,其d带中心由Cu的-2.45 e V向费米能级上移至SnO2/Cu的-2.41 e V,从而增强了负载后Cu对氢吸附能(Ead),导致了Na BH4裂解的活性氢原子更容易被Cu所吸附而不是相互结合生成氢气。该负载型催化剂不仅增强了反应速率,还提高了硼氢化钠的利用效率。SC10(10 wt%Cu的SnO2/Cu)表现出最好的催化加氢还原4-NP性能,Na BH4还原对硝基苯酚的反应速率常数达到了1.843 min-1,产物对氨基苯酚的选择性达到99%。该工作通过使用过渡金属氧化物材料调控Cu电子结构,为设计更先进的催化转移加氢催化剂提供了新思路。
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