纳米钌催化剂的表界面结构调控及其加氢性能研究

摘要

作为在石油化工、煤化工、有机合成等生产领域必不可少的单元反应，芳香族化合物催化加氢在化工生产中占有举足轻重的地位，主要用于许多重要精细化学品及中间体的合成。通过对硝基甲苯（PNT）加氢制得的对甲基环己胺（PMC），广泛应用于食品、医药、橡胶、化工等领域，市场十分广阔。但该工艺生产中会产生大量二环己胺类副产物和焦油，造成原料的巨大浪费、产品后续分离困难、催化剂易失活及PMC成本无谓增加，解决该问题的根本办法是开发新型的高效加氢催化剂。 目前，该领域应用最广泛的是Ru催化剂，最常用的催化剂制备方法是浸渍法和沉淀法，但在其研究和应用时存在以下问题：（1）催化剂活性组分利用率低，反应过程中易流失，稳定性差；（2）催化剂酸性与催化加氢性能之间的内在关系不明确；（3）活性组分Ru粒子易团聚，其分散结构调控手段有限，催化效率低；（4）人们对Ru活性位结构与催化作用关系认识不足。 针对上述问题，本论文在大量文献调研的基础上，从Ru催化剂稳定性优化、Ru催化剂酸性调控、Ru活性位分散结构调控及适宜Ru活性位的择优暴露四个方面进行研究，获得了具有高活性的Ru基系列催化剂，有效提高了PMC的选择性，对该反应实现高效绿色和其他负载型芳香族化合物加氢催化剂的开发积累了一定的理论依据和实践基础。具体研究内容和结论如下： （1）Ru-Y/NaY催化PNT液相加氢性能研究 针对沉淀法制备Ru催化剂时，活性组分易流失、催化剂稳定差的问题，选取了比表面积较大的NaY分子筛作为载体，稀土金属Y为助剂，采用分步浸渍-沉淀二步法构筑了具有较高活性的Ru-Y/NaYx催化剂。采用XRD、TEM、低温N2吸/脱附、H2-TPR及ICP-AES等方法对催化剂结构形貌进行了表征，结果表明，添加适量的助剂Y有助于提高活性组分Ru粒子的分散度，但当Y添加过量，不仅会导致活性组分团聚，而且会影响活性组分的利用率。以PNT液相加氢制PMC反应评价了Ru-Y/NaYx催化剂的加氢活性和重复利用性能，在最佳反应条件下，Ru-Y/NaY2催化剂对应的PNT转化率为99.7%，PMC选择性为82.5%。且重复利用5次后，Ru的负载量仍接近新鲜催化剂，活性也未见明显下降，证明添加适量的Y有助于提高Ru催化剂的稳定性。 （2）Ru催化剂酸性位点调控及其对加氢性能的影响 针对Ru催化剂催化PNT加氢过程中易发生脱水反应的问题，选取NaY分子筛为载体，RuCl3为活性组分前体，采用分步浸渍-沉淀法制备了一系列碱土金属（Ca，Mg， Sr）改性的Ru/NaY催化剂。利用XRD、TEM、ICP-AES、低温N2吸/脱附及Py-IR等手段对催化剂物相结构、酸性形态与分布进行了深入分析，结果表明，添加适量的Sr有助于提高Ru粒子的分散度；碱土金属和Ru粒子的负载对催化剂酸性的影响很大。结合PNT液相加氢反应结果，发现当Sr/Ru摩尔比为0.1时，Ru-Sr/NaY催化剂B酸和L酸含量最高，单一地增加B酸含量会促进脱水反应发生。若同时提高催化剂中B酸和L酸含量，可明显抑制脱水反应的发生，从而实现PMC选择性的有效提升。 （3）Ru活性位分散结构调控及其对加氢性能的影响 通过在催化剂制备过程中添加非离子表面活性剂PEG-400，利用PEG易与Ru3+之间产生亲和作用，有效阻止了Ru3+的团聚，最终制得Ru活性组分高度分散、粒径均一的纳米Ru-PEGx/NaY催化剂。首先，通过正交试验获得了Ru催化剂制备工艺条件的最优组合。然后，综合多种表征分析和PNT催化加氢反应结果，发现添加适量的PEG-400可有效调控Ru催化剂活性组分的分散结构，Ru-PEG7.5/NaY催化剂表面Ru粒子高度分散，且平均粒径仅2 nm左右，远低于传统方法获得的Ru/NaY催化剂表面Ru颗粒平均粒径（＞10 nm）。在PNT加氢最佳反应条件，Ru-PEG7.5/NaY催化剂对应的PNT转化率为100%，PMC选择性为95.2%，远高于其他报道的数据。此外，考察了氨水用量对PNT加氢反应的影响，结果表明，在溶剂中加入适量的氨水不仅可以有效抑制PMC分子间发生偶联副反应，还可加快反应速率，缩短反应时间。 （4）Ru活性位的择优暴露及其对加氢性能的影响 以金属镧为助剂，疏水性椰壳活性炭为载体，采用分步浸渍-沉淀法制备了一系列Ru/La摩尔比不同的Ru1-Lax/AC催化剂，通过XRD、TEM、低温N2吸/脱附等多种表征手段对催化剂的物相结构进行了表征，发现La的添加并未引起活性炭物相结构的改变，也未引起活性组分Ru粒子的增大。利用XPS对催化剂中Ru和La元素的价态、结合能变化进行分析，发现镧在钌纳米颗粒表面沉积。将Ru1-Lax/AC催化剂用于PNT加氢反应，结果表明，随着La用量的增大，4,4-二甲基二环己胺产量明显降低，证明添加的La覆盖了催化剂中的高配位活性位，致使低配位活性位择优暴露，增加了PMC 在Ru活性位上的脱附能力，有效控制了PMC分子间偶联反应的发生。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 芳香族化合物加氢催化剂的研究现状

1.3 芳香族化合物加氢反应

1.4 对甲基环己胺合成反应研究现状

1.5 论文研究内容及意义

第2章 实验部分

2.1 实验原料

2.2 实验仪器与设备

2.3 实验内容

2.4 样品表征

2.5 Ru催化剂性能评价与产物分析

第3章 Ru-Y/NaY催化PNT液相加氢性能研究

3.1 引言

3.2 催化剂结构与形貌表征

3.3 Ru催化剂加氢性能评价

3.4 Ru催化剂的稳定性实验

3.5 本章小结

第4章 Ru催化剂酸性位点调控及其对加氢性能的影响

4.1 引言

4.2 催化剂结构与形貌表征

4.3 催化剂加氢性能评价

4.4催化剂构效关系研究

4.5 Ru-Sr/NaY催化剂重复利用性能

4.6 本章小结

第5章 Ru活性位分散结构调控及其对加氢性能的影响

5.1 引言

5.2 正交实验

5.3 催化剂结构与形貌表征

5.4 不同Ru催化剂的加氢性能评价

5.5 催化剂构效关系研究

5.6 反应条件对PNT液相加氢制PMC反应结果的影响

5.7 催化剂的重复利用性能考察

5.8 本章小结

第6章 Ru活性位的择优暴露及其对加氢性能的影响

6.1 引言

6.2 催化剂结构与形貌表征

6.3 催化剂加氢性能评价

6.4 催化剂重复利用性能考察

6.5 本章小结

结论

论文创新点

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录

附录B 攻读学位期间申请的专利目录

附录C 攻读学位期间参与的科研项目目录