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本文重点研究了表面修饰作用及其对催化剂活性选择性的影响。
分别以 CH3COONa和聚乙二醇作稳定剂、NaBH4作还原剂,在常温常压下制备了RuNPs;分别以TDA和DTDA为修饰剂,对RuNPs进行化学修饰。利用UV-vis和FT-IR、TGA、XRD、HRTEM和XPS等手段对样品进行了表征,然后分别以C6H6和p-CNB为模型反应物,确定了TDA-Ru NPs催化CNB加氢制 CAN的最佳条件,包括修饰剂与 RuNPs的最佳比例、温度、压力、催化剂用量等。在40℃、4 MPa、催化剂用量2%反应条件下,分别以乙醇、乙醇和水作溶剂,在乙醇和水中添加无机盐作溶剂,考察了修饰前后 RuNPs催化CNB加氢制备CAN活性与选择性,并将 TDA修饰的RuNPs用于催化对苯二甲酸制备1,4-环己烷二甲酸和硝基苯加氢制备苯胺。利用气质联用仪、气相色谱仪和核磁共振仪对加氢产物进行了定性和定量分析。通过分析对比,探讨了TDA和DTDA对 RuNPs的修饰作用及其影响催化剂活性选择性机理,主要结论如下:
(1)FT-IR证明了修饰剂噻吩环上的S与Ru发生配位作用。TGA证明了修饰后的RuNPs上修饰剂和RuNPs发生了化学作用。XRD给出了修饰后RuNPs的纳米特征,证明TDA和DTDA分子在 RuNPs表面接近单层分散。HRTEM证明修饰后的Ru NPs粒子呈球状,同时微晶粒径进一步降低,修饰剂中C、O、S元素均匀地分布在Ru的表面上。XPS证明了TDA和DTDA中S与Ru之间存在电子效应,并形成了Ruδ+电子态。
(2)C6H6和p-CNB模型反应表明,TDA修饰的RuNPs具有很好的疏水性;当mTDA:mRuNPs=1:10时,催化剂具有最好的活性;催化剂最佳使用条件为:40℃、4 MPa、催化剂用量2%。在上述条件下,修饰后Ru NPs催化CNB邻、间、对异构体加氢具有很好的活性与选择性。100 min,p-CNB转化100%,p-CAN选择性97%。由于 DTDA和TDA具有不同的官能团,DTDA修饰的RuNPs则转变为亲水性。当在乙醇溶剂中加入少量水和无机盐,将反应物分子转变亲水性,p-CNB转化率100%,p-CAN的选择性率99%。
(3)推测了TDA和DTDA修饰Ru NPs和提高活性选择性机理。TDA和DTDA化学吸附在 Ru NPs表面上,改变了催化剂与反应物分子的亲和性,同时提高了 Ru活性组分的分散度。由于相似相溶,TDA修饰的Ru NPs采用乙醇作溶剂,DTDA修饰的Ru NPs采用乙醇和水作溶剂,提高了Ru NPs的催化活性。TDA和DTDA在Ru NPs的表面空间位阻效应和电子效应,有利于CNB中硝基的优先吸附,因而提高了CAN的选择性。
(4)将TDA修饰的RuNPs分别用于催化对苯二甲酸制备1,4-环己烷二甲酸和硝基苯加氢制备苯胺,前者在110~160℃、4 MPa氢压条件下,对苯二甲酸转化率99%以上,1,4-环己烷二甲酸选择性93~96%。后者在110~130℃、1~4 MPa氢压条件下,硝基苯转化率100%,苯胺选择性95~99%。反应机理归因于表面亲和性转变和电子效应。前者由于 RuNPs表面亲和性,苯环与 Ru优先形成π络合物,最终生成环己烷二甲酸;后者由于 TDA与 RuNPs之间的电子效应,硝基与 Ru表面优先形成σ络合物,生成中间产物苯胺和最终产物环己胺。
本文内容涉及的表面修饰可以为其他多相催化反应提供有益借鉴。
分别以 CH3COONa和聚乙二醇作稳定剂、NaBH4作还原剂,在常温常压下制备了RuNPs;分别以TDA和DTDA为修饰剂,对RuNPs进行化学修饰。利用UV-vis和FT-IR、TGA、XRD、HRTEM和XPS等手段对样品进行了表征,然后分别以C6H6和p-CNB为模型反应物,确定了TDA-Ru NPs催化CNB加氢制 CAN的最佳条件,包括修饰剂与 RuNPs的最佳比例、温度、压力、催化剂用量等。在40℃、4 MPa、催化剂用量2%反应条件下,分别以乙醇、乙醇和水作溶剂,在乙醇和水中添加无机盐作溶剂,考察了修饰前后 RuNPs催化CNB加氢制备CAN活性与选择性,并将 TDA修饰的RuNPs用于催化对苯二甲酸制备1,4-环己烷二甲酸和硝基苯加氢制备苯胺。利用气质联用仪、气相色谱仪和核磁共振仪对加氢产物进行了定性和定量分析。通过分析对比,探讨了TDA和DTDA对 RuNPs的修饰作用及其影响催化剂活性选择性机理,主要结论如下:
(1)FT-IR证明了修饰剂噻吩环上的S与Ru发生配位作用。TGA证明了修饰后的RuNPs上修饰剂和RuNPs发生了化学作用。XRD给出了修饰后RuNPs的纳米特征,证明TDA和DTDA分子在 RuNPs表面接近单层分散。HRTEM证明修饰后的Ru NPs粒子呈球状,同时微晶粒径进一步降低,修饰剂中C、O、S元素均匀地分布在Ru的表面上。XPS证明了TDA和DTDA中S与Ru之间存在电子效应,并形成了Ruδ+电子态。
(2)C6H6和p-CNB模型反应表明,TDA修饰的RuNPs具有很好的疏水性;当mTDA:mRuNPs=1:10时,催化剂具有最好的活性;催化剂最佳使用条件为:40℃、4 MPa、催化剂用量2%。在上述条件下,修饰后Ru NPs催化CNB邻、间、对异构体加氢具有很好的活性与选择性。100 min,p-CNB转化100%,p-CAN选择性97%。由于 DTDA和TDA具有不同的官能团,DTDA修饰的RuNPs则转变为亲水性。当在乙醇溶剂中加入少量水和无机盐,将反应物分子转变亲水性,p-CNB转化率100%,p-CAN的选择性率99%。
(3)推测了TDA和DTDA修饰Ru NPs和提高活性选择性机理。TDA和DTDA化学吸附在 Ru NPs表面上,改变了催化剂与反应物分子的亲和性,同时提高了 Ru活性组分的分散度。由于相似相溶,TDA修饰的Ru NPs采用乙醇作溶剂,DTDA修饰的Ru NPs采用乙醇和水作溶剂,提高了Ru NPs的催化活性。TDA和DTDA在Ru NPs的表面空间位阻效应和电子效应,有利于CNB中硝基的优先吸附,因而提高了CAN的选择性。
(4)将TDA修饰的RuNPs分别用于催化对苯二甲酸制备1,4-环己烷二甲酸和硝基苯加氢制备苯胺,前者在110~160℃、4 MPa氢压条件下,对苯二甲酸转化率99%以上,1,4-环己烷二甲酸选择性93~96%。后者在110~130℃、1~4 MPa氢压条件下,硝基苯转化率100%,苯胺选择性95~99%。反应机理归因于表面亲和性转变和电子效应。前者由于 RuNPs表面亲和性,苯环与 Ru优先形成π络合物,最终生成环己烷二甲酸;后者由于 TDA与 RuNPs之间的电子效应,硝基与 Ru表面优先形成σ络合物,生成中间产物苯胺和最终产物环己胺。
本文内容涉及的表面修饰可以为其他多相催化反应提供有益借鉴。