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过氧化氢作为一种重要的化学品,广泛应用于化学品的绿色氧化合成、环境保护等领域。相比目前工业上使用的多步蒽醌法,以H2和O2直接合成H2O2更加经济且环境友好。本学位论文针对常压下从氢气和氧气直接合成过氧化氢反应,研制了铌基固体酸负载的Pd催化剂,考察其在不添加任何液体酸和卤素助剂的情况下的催化性能,并对Pd尺寸效应进行了研究。
研究结果显示,铌基化合物可作为固体酸载体有效地促进H2O2的生成,其负载Pd催化剂的性能显著优于其它固体酸载体(如磺化的碳材料、杂化材料,磷酸锆等)的负载Pd催化剂。其中,磷酸铌负载的钯催化剂(Pd/NbOPO4)催化性能最佳,在O2/H2=15,283 K下反应6小时之后,H2转化率为17%,H2O2的选择性为73%,H2O2的浓度可以达到0.41 wt%。该结果与目前报道的相同条件下液相共存酸和卤素助剂的催化剂体系的H2O2生成能力相接近。FT-IR、Hammett指示剂滴定实验及氨吸附实验等酸性表征结果表明载体的酸性对H2O2的合成至关重要,催化剂的酸性越强,H2O2选择性和积累浓越高。
针对Pd/NbOPO4催化剂,本文进一步研究了Pd粒子尺寸对反应性能的影响。以油胺辅助的方法,我们在2.1 nm~6.3 nm内制备了粒径可控的单分散Pd粒子,并将其负载于NbOPO4上,用于直接合成H2O2反应。结果显示小粒径的Pd粒子有利于获得高的H2O2选择性和生成速率。H2O2的分解反应和加氢反应实验结果表明,在反应条件下,不同Pd粒径催化剂上的加氢反应速率(42~89mmol/gcat/h)均大于分解反应速率(3.6~5.1 mmol/gcat/h);小粒径Pd的催化剂上H2O2的加氢反应速率较低,这可能是其得到较高的H2O2的选择性的重要原因。