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环己烯是一种重要的化工中间体,广泛用于医药、农药、饲料添加剂、聚酯等精细化工品的生产。由苯选择性加氢制环己烯,因其反应原料廉价易得、反应原子经济性强和操作简便等优点引起了研究者的广泛关注。目前,钌基催化剂为研究范围最广、综合性能最好的一类苯选择性加氢催化剂;但其在研究和应用中仍面临如下问题:1)活性位精细结构调控手段有限,难以有效控制苯选择性加氢反应行为;2)催化活性位结构及催化作用机制认识不足,阻碍了催化剂结构与性能的优化和提升;3)腐蚀性助剂依赖性强,造成了设备维护和产品后续分离难度大。因此,针对上述问题,本论文从Ru基催化剂活性位的择优暴露、Ru活性位的分散结构调控、Ru-载体协同催化等三个不同层面对催化活性结构进行精细调控,获得了动力学上利于环己烯生成的新型钌基催化剂,实现了Ru基催化剂苯选择性加氢综合性能的提升;此外,我们基于多种研究方法,建立反应动力学模型,揭示了Ru基催化剂活性位结构与环己烯选择性的内在联系,探究了Ru基催化剂对苯选择性加氢的催化机理。本论文工作提供了制备高效苯选择性加氢催化剂的新思路和新方法,为反应的绿色工业化生产奠定了一定的理论依据和实践基础。论文的主要研究内容与结论如下: 1.Ru活性位的择优暴露及其对苯选择性加氢性能影响 选取层状结构材料CuMgAl-LDH为前体,采用外源法引入贵金属Ru物种负载于LDHs层板,经焙烧/还原和结构复原过程,得到系列的RuxCuy/MgAl-LDH双金属催化剂。CO-TPD和原位CO-FTIR表征表明:Cu以原子簇的形式选择性地沉积于Ru表面低配位数的高活性位点,调变了催化剂表面活性位的加氢活性。动力学及DFT理论计算表明:催化剂表面的低配位Ru位点具有高环己烯吸附能,易于催化苯过加氢生成环己烷;通过Cu物种对低配位Ru的选择性覆盖,抑制了环己烯的过加氢,促使Ru表面中等加氢活性位的择优暴露,显著提高了环己烯的选择性(环己烯的最高产率达44.0%)。 2.Ru活性位分散结构调控及其对苯选择性加氢性能影响 选取钛酸盐纳米管(TNT)为载体,通过超声浸渍负载法,引入Ru活性组分前体于TNT管内,以硼氢化钠为还原剂,制备得到粒径均一(平均粒径2.5nm)的Ru-B/TNT非晶态合金催化剂;进一步将Ru-B/TNT催化剂的载体TNT管状结构打开,制得了负载于钛酸盐纳米片(TNS)的高分散、粒径均一Ru-B/TNS非晶态合金催化剂,消除了TNT管状结构对苯选择性加氢的传质/扩散影响。H2-TPD、EXAFS和XPS分析表明,通过粒径均一、高分散Ru-B/TNS非晶态合金催化剂的构筑,不仅提高了Ru活性位的分散和充分暴露;而且B的引入对Ru活性位具有几何分割和电子结构修饰作用,显著促进了环己烯在催化剂表面的脱附,从而进一步提升了催化剂对苯选择加氢反应的活性、选择性及稳定性(环己烯的最高产率达50.7%)。 3.Ru-TiO2协同催化苯选择性加氢反应性能与机理研究 基于多孔二氧化钛的微孔对氢分子选择性扩散作用,并结合Ru与TiO2载体的氢溢流效应,设计、制备了多孔TiO2包覆的Ru/TiO2催化剂(Ru/TiO2@pTiO2),实现了苯在载体TiO2表面的选择性加氢转化,解决了苯在Ru活性位易于过加氢的问题。催化性能评价结果表明,Ru/TiO2@pTiO2催化剂在无助剂添加条件下,环己烯产率高达75.1%,为目前钌基催化剂催化苯选择性加氢制环己烯反应的最高值。进一步,通过系列表征证实:在Ru表面产生的解离氢通过包覆Ru的多孔TiO2微孔溢流至TiO2载体表面,与苯加氢生成环己烯;TiO2具有良好的亲水性和对环己烯适中的作用力,有效促进了环己烯在TiO2表面的脱附,抑制了苯的过加氢。此外,基于DFT理论计算表明:苯在TiO2表面以及金属钌表面发生过加氢反应,前者活化能更高,从而降低了其过加氢的机率。因此,具有金属-载体协同催化的Ru基催化剂Ru/TiO2@pTiO2有效抑制了苯过加氢,显著提高了环己烯产率。