非均相钌催化剂催化二氧化碳加氢合成甲酸的研究

摘要

随着社会经济的发展,许多工业过程中大量二氧化碳(CO2)的产生引起的温室效应给人类的生存环境带来严重的负面影响。甲酸是一种重要的有机化工原料,其传统的生产方法能耗大,污染环境。由CO2加氢直接合成甲酸是一个原子经济性反应,符合当代绿色化学发展趋势。因此,开发以CO2为原料清洁的合成甲酸具有重大的经济和环境意义。
　　 本文主要研究非均相羟基钌催化剂催化CO2加氢合成甲酸的工艺,对负载型羟基钌催化剂所使用的载体、Ru的负载量、催化剂制备溶液的pH值以及滴定剂等因素对CO2加氢合成甲酸的影响进行了考察。研究结果表明,以γ-Al2O3为载体、Ru负载量为2.0wt％、以氨水作为滴定剂调变催化剂制备溶液的pH为12.8时所制得的负载型羟基钌Ru／γ-Al2O3催化剂具有优良的催化性能。当反应温度为80℃,搅拌速率为300 r／min,反应物H2的压力为5.0 MPa,反应体系总压力为13.5 MPa时,甲酸的转化数可达139 mol／h·molRu。
　　 采用FT-IR、XRD、XPS及TEM等表征手段对负载型钌催化剂的物化性质进行了研究。FT-IR和XPS测试结果表明,催化剂载体表面存在的羟基对于该催化剂的活性起着重要作用。载体表面存在的大量羟基与钌物种发生相互作用而形成的羟基钌物种是该催化剂的初始活性物种。XRD和TEM结果表明,高度分散的羟基钌物种有利于CO2加氢合成甲酸的进行。较高的钌负载量或催化剂制备溶液pH值会使催化剂表面形成部分晶体RuO2,进而引起催化剂活性的下降。此外,根据实验结果初步探讨了羟基钌催化剂上CO2加氢合成甲酸的过程机理。