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氢甲酰化反应是指烯烃与合成气反应生成多一个碳原子醛/醇的催化过程,具有100%原子经济性。其产物广泛应用于生产高附加值产品,如表面活性剂、医药中间体等。目前,低碳烯烃的氢甲酰化反应已经成熟,但高碳烯烃的氢甲酰化反应仍存在催化剂活性低、稳定性差等问题。基于均相催化高活性和多相催化易分离的特点,本论文将含膦配体限域于ZIF-8材料中,开发一种高效稳定的限域催化剂用于1-辛烯的氢甲酰化反应,具体研究内容如下:
(1)负载膦配体的ZnO小球为牺牲模板原位生长ZIF-8,制备P-Rh/ZnO@ZIF-8催化剂,探究其高碳烯烃氢甲酰化催化性能。结合表征分析发现所制备催化剂在ZnO表面成功生长ZIF-8壳层,催化剂在压力2.0MPa、温度90℃条件下反应2h,转化率为69%,壬醛选择性超过20%,但循环稳定性不佳。分析原因可能是由于载体ZnO在被配体刻蚀过程中,表面的膦配体发生脱落,导致限域配体含量降低,在氢甲酰化反应过程中不能有效稳定活性物种。
(2)考察了溶剂热法和双溶剂法原位限域PPh3,制备PPh3-Rh@ZIF-8催化剂。结合表征结果表明两种方法都可限域PPh3配体,其中双溶剂法限域膦配体的含量更高,所制备催化剂在压力2.0Mpa、温度90℃条件下反应2h,1-辛烯转化率高于98%,壬醛的选择性超过45%,循环三次催化性能小幅度下降,结合表征分析发现双溶剂法PPh3-Rh@ZIF-8催化剂在反应过程中ZIF-8发生重构,导致催化剂稳定性逐渐降低。
(3)为了提高催化剂在氢甲酰化反应条件下的稳定性,以双溶剂法制备的PPh3@ZIF-8为载体,制备Rh-P@ZIF-8催化剂。研究结果表明催化剂经NaBH4或者氢气还原后,ZIF-8结构在反应前后结构稳定,还原过程中PPh3发生分解与金属Rh形成稳定化合物,显著提高了催化剂的稳定性。1%Rh-PPh3@ZIF-8NaBH4催化剂在压力2.0MPa、温度90℃条件下首次反应2h,1-辛烯转化率高于98%,壬醛的选择性超过30%,但循环五次醛的选择性下降较为明显,经表征分析是由于Rh金属流失所致。然而1%Rh-P@ZIF-8R300催化剂在相同反应条件下,1-辛烯转化率高于98%,壬醛的选择性超过30%,且循环五次催化性能无明显下降,稳定性显著提高可能是由于氢气还原处理后,金属Rh与三苯基膦分解形成的磷形成稳定的囊状Rh-P化合物,抑制了反应过程中金属Rh的流失。
(1)负载膦配体的ZnO小球为牺牲模板原位生长ZIF-8,制备P-Rh/ZnO@ZIF-8催化剂,探究其高碳烯烃氢甲酰化催化性能。结合表征分析发现所制备催化剂在ZnO表面成功生长ZIF-8壳层,催化剂在压力2.0MPa、温度90℃条件下反应2h,转化率为69%,壬醛选择性超过20%,但循环稳定性不佳。分析原因可能是由于载体ZnO在被配体刻蚀过程中,表面的膦配体发生脱落,导致限域配体含量降低,在氢甲酰化反应过程中不能有效稳定活性物种。
(2)考察了溶剂热法和双溶剂法原位限域PPh3,制备PPh3-Rh@ZIF-8催化剂。结合表征结果表明两种方法都可限域PPh3配体,其中双溶剂法限域膦配体的含量更高,所制备催化剂在压力2.0Mpa、温度90℃条件下反应2h,1-辛烯转化率高于98%,壬醛的选择性超过45%,循环三次催化性能小幅度下降,结合表征分析发现双溶剂法PPh3-Rh@ZIF-8催化剂在反应过程中ZIF-8发生重构,导致催化剂稳定性逐渐降低。
(3)为了提高催化剂在氢甲酰化反应条件下的稳定性,以双溶剂法制备的PPh3@ZIF-8为载体,制备Rh-P@ZIF-8催化剂。研究结果表明催化剂经NaBH4或者氢气还原后,ZIF-8结构在反应前后结构稳定,还原过程中PPh3发生分解与金属Rh形成稳定化合物,显著提高了催化剂的稳定性。1%Rh-PPh3@ZIF-8NaBH4催化剂在压力2.0MPa、温度90℃条件下首次反应2h,1-辛烯转化率高于98%,壬醛的选择性超过30%,但循环五次醛的选择性下降较为明显,经表征分析是由于Rh金属流失所致。然而1%Rh-P@ZIF-8R300催化剂在相同反应条件下,1-辛烯转化率高于98%,壬醛的选择性超过30%,且循环五次催化性能无明显下降,稳定性显著提高可能是由于氢气还原处理后,金属Rh与三苯基膦分解形成的磷形成稳定的囊状Rh-P化合物,抑制了反应过程中金属Rh的流失。