负载型钌催化剂的制备、表征及苯选择加氢反应研究

摘要

具有活泼双键的环己烯，是一种广泛应用于医药、农用化学品、饲料添加剂、聚酯和其他精细化工产品生产中的重要有机化工原料。特别是环己烯可以直接被氧化来制造合成聚酰胺纤维中大量使用的中间体环己酮和己二酸，从而大大缩短了ε-己内酰胺和己二酸的生产路线。从20世纪初开始国外就有人提出了由苯加氢制备环己烯的设想，一直到20世纪80年代，才由日本率先实现了环己烯的工业化生产。进入90年代以后，由苯选择加氢制备重要有机合成中间体环己烯的重要性和经济科技价值才逐渐引起了我国各大科研单位、重点高校及相关企业的高度重视，但是研究进展仍然较缓慢。迅速研究并开发出具有自主知识产权的新的催化体系，缩短我们和世界发达国家的距离，具有十分重要的意义。一方面，苯选择加氢制备出的环己烯具有重要的工业应用价值。另一方面，尽管许多金属被广泛应用于选择加氢领域，但是现有的理论也仅仅局限于某一些甚至特定反应，苯选择加氢催化体系上的研究也将为选择加氢领域提供进一步的信息。 针对目前应用于苯选择加氢制备环己烯反应中的Ru催化剂的研究进展，本论文从催化剂Ru的负载方法以及催化剂Ru活性中心修饰两个角度进行了研究。从负载方法出发，我们首次研究了以介孔二氧化硅为载体的用双溶剂法制备的Ru催化剂，苯选择加氢反应结果表明，其催化性能显著优于相应的普通浸渍法负载的Ru催化剂，特别是Ru负载在介孔二氧化硅SBA-15上的催化剂。另外对催化剂Ru活性中心进行了修饰，通过加入第二组分，并通过优化影响反应的各因素，获得了适宜的反应条件。 论文的主要工作及结果如下： 一、双溶剂法制备Ru催化剂采用了双溶剂法和普通浸渍法分别制备了Ru/SBA-15-ds和Ru/SBA-15-wi催化剂，其中采用普通浸渍法制备的催化剂，由于金属与载体之间的作用较弱，使得负载的钌颗粒粒径较大，钌主要分散在载体表面，且团聚较严重，TEM表征结果显示平均粒径～16 nm；而采用双溶剂法制备的催化剂，由于制备方法及载体本身的特殊结构，钉分散于载体的孔道内，并且钌平均粒径减小。TEM及XRD表征结果表明，采用双溶剂法可以将钌引入到介孔分子筛孔道中，并且钌在孔道中能高度分散且粒径均一，平均粒径～7 nm。 苯选择加氢结果也进一步表明Ru/SBA-15-ds催化剂具有较高的反应活性，显著高于Ru/SBA-15-wi催化剂。原因是由于催化剂上Ru粒子高度分散提高了反应的活性。由于钉的高度分散，单位质量钌的活性位数目增多，使得添加硫酸锌后Ru/SBA-15-ds催化剂的选择性增加幅度大于Ru/SBA-15-wi催化剂。在最优硫酸锌含量的条件下，环己烯得率在Ru/SBA-15-ds催化剂上可达24.5％。 二、不同介孔二氧化硅分子筛应用于Ru催化剂的制备采用了最具代表性的几种介孔二氧化硅分子筛MCM-41、HMS和SBA-15为载体，用上述双溶剂法制备了负载在不同介孔分子筛上的分散度较好且粒径较均一的催化剂，发现以SBA-15为载体负载的钌催化剂在负载量12％时环己烯的得率可达到28.8％。TEM结果表明，双溶剂法制备的Ru/HMS、Ru/MCM-41和Ru/SBA-15催化剂中，钌均能高度分散在分子筛的孔道中，但生成的钌颗粒的粒径大小有一定差异。比较在不同结构的介孔分子筛上制备的钌催化剂的催化性能发现，钉颗粒的粒径显著影响催化剂的活性。粒径小，催化剂的活性高，粒径大催化剂的活性相对较低。而选择性受载体的结构影响较大。呈现高度有序二维六方孔结构且两端开口的SBA-15分子筛表现出较好的环己烯选择性。 三、Fe、Sn和Ba修饰的Ru/SBA-15催化剂及其反应条件的研究采用催化剂活性组分Ru与修饰剂同时负载在载体上的方法制备不同金属(M=Fe、Sn、Ba)修饰的Ru-M/SBA-15催化剂，考察不同修饰量的钌催化剂的催化性能。Fe可以提高催化剂的活性及选择性，在Ru/Fe摩尔比10:2时环己烯的得率最高为31.6％。Sn修饰使催化剂的活性及环己烯的得率较未修饰的催化剂低。Ba修饰可以有效提高催化剂的活性及选择性。在Ru/Ba摩尔比10:5时，环己烯的得率达到41.7％。通过对Ba修饰的Ru-Ba/SBA-15催化剂进行ICP，TEM，XRD等表征，研究Ba的修饰对催化剂组成、结构、电子性质及加氢性能的影响，发现Ba修饰引起Ru颗粒粒径的变化及钌电子富集，这有利于提高环己烯的选择性。Ru-Ba/SBA-15催化剂在适宜的苯选择加氢反应工艺条件下环己烯得率可达50.8％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1环己烯的性质及重要工业用途

1.2苯选择加氢制备环己烯的意义

1.3苯选择加氢制备环己烯的历史与现状

1.4苯催化加氢工艺研究

1.5苯选择加氢反应体系的理论研究

1.6课题选择

参考文献

第二章催化剂的制备、表征及活性评价方法

2.1原料与试剂

2.2催化剂的制备

2.3催化剂的表征方法

2.4活性评价与产物分析

参考文献

第三章Ru/SBA-15催化剂的制备方法对液相苯选择加氢性能的影响

3.1引言

3.2催化剂制备及活性评价

3.3结果与讨论

3.4小结

参考文献

第四章介孔二氧化硅载体种类对Ru催化剂选择加氢性能的影响

4.1引言

4.2介孔二氧化硅载体的制备及表征

4.3介孔二氧化硅材料负载的钌催化剂的制备

4.4介孔二氧化硅材料负载的钌催化剂的催化性能及表征

4.5不同介孔二氧化硅材料负载的钌催化剂的催化性能比较

4.6小结

参考文献

第五章Fe、Sn、Ba修饰对Ru/SBA-15催化剂苯选择加氢性能的影响

5.1引言

5.2 Fe、Sn和Ba修饰剂对Ru-M/SBA-15催化剂性能的影响

5.3 Ru-Ba/SBA-15催化剂的表征与反应工艺优化

5.4小结

参考文献

第六章研究总结与展望

个人简历

致谢