Cu2O、Cu2O/TiO2催化甲醛乙炔化反应性能

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1,4-丁炔二醇(BYD)是一种重要的有机化工原料,其生产主要采用以甲醛和乙炔为原料的炔醛法(或称Reppe法),选用Cu-Bi的碱式碳酸盐或氧化物为催化剂。在甲醛乙炔化反应过程中,Cu2+化合物要经过复杂的化学变化原位转变为乙炔亚铜活性物种,这种转变主要包含两个过程:Cu2+被甲醛还原为Cu+;Cu+与乙炔反应生成乙炔亚铜络合物。其中,Cu2+选择性还原为Cu+是一个关键且很难控制的步骤,过度还原为Cu0将促使副产物聚炔的生成,导致催化剂的活性与选择性降低。而直接选用Cu+化合物作活性前驱体则省去了Cu2+复杂的还原过程,将更有利于乙炔亚铜活性物种的生成。氧化亚铜是一种典型的p型半导体材料,禁带宽度较窄,能够被可见光激发,被广泛应用于许多领域,如传感器、太阳能电池、锂离子电池等。氧化亚铜也可用于许多催化反应,如光解水制氢、光降解有机染料、丙烯部分氧化、CO氧化、Rochow反应、CO还原NO等。然而,将氧化亚铜直接应用于催化甲醛乙炔化反应的研究还未见报道。本工作采用液相还原法,以Cu2+无机盐为铜源,NaOH为沉淀剂,抗坏血酸钠为还原剂制备了一系列Cu2O催化剂,系统研究了铜源、NaOH浓度对Cu2O物化性质及其催化甲醛乙炔化反应性能的影响,并将Cu2O原位沉积到TiO2载体表面制得了Cu2O/TiO2催化剂,研究了TiO2的载体效应与催化性能之间的关系。本论文的主要研究结果如下:1、不同铜源对制备的Cu2O物化性质及其甲醛乙炔化反应催化性能有较大影响。当选用硫酸铜或硝酸铜为铜源时,所得Cu2O颗粒表面暴露了较多的Cu+,成为还原过程中的吸附位点,在反应中容易被甲醛还原为金属Cu,表现出较差的催化性能。当以氯化铜为原料时,制得的Cu2O中残留有少量的Cl-离子,造成其颗粒表面Cu+暴露较少,在还原性气氛中表现出很好的稳定性。在甲醛乙炔化反应中,大部分Cu2O能够高效转变为乙炔亚铜活性物种,因而表现出最佳的催化性能。2、通过改变制备过程中沉淀剂NaOH的浓度调变了Cu2O的粒径及结晶度,发现Cu2O的催化性能与其粒径及结晶度关系密切。当NaOH浓度为1.67 mol/L时,Cu2O粒径较小,结晶性较差,表面暴露大量缺陷位,极易被甲醛还原为金属Cu,转变成的乙炔亚铜含量较低,表现出较差的催化性能;当NaOH浓度达到5 mol/L时,所得Cu2O粒径较大,结晶化程度过高,难以转变为乙炔亚铜络合物,催化性能较差。而选择适宜浓度(3.33 mol/L)的NaOH溶液时,所得Cu2O具有适宜的粒径大小与结晶度,在反应中能够大量转变为乙炔亚铜活性物种,表现出最优的催化性能。3、以不同焙烧温度的TiO2载体担载Cu2O制得了一系列Cu2O/TiO2催化剂,发现在催化剂中产生了强弱不同的载体效应,进而在催化性能上表现出明显差异。当载体效应较弱时,Cu2O物种在反应中容易被甲醛还原为金属Cu,转变成的乙炔亚铜络合物较少,因而催化活性较低。随着载体效应的不断增强,Cu2O物种的还原性能达到最佳,大部分Cu2O能够高效转变为乙炔亚铜活性物种,使Cu2O/TiO2催化剂表现出最优的催化性能。
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