作者简介:王菊霞,1994年生,女,山西省临汾市人,在读硕士研究生,研究方向为精细化工催化。
通过分步浸渍法在Ni/SiO2催化剂中分别引入Zn、Cu、La、Mo、Co金属助剂,结合N2物理吸附-脱附、XRD、H2-TPR和NH3-TPD等表征手段研究金属助剂对1,4-丁炔二醇加氢性能的影响。结果发现,Mo的引入使Ni/SiO2催化剂的初始活性大幅增加,但反应2 h后活性下降,归因于催化剂表面酸中心使催化剂积炭失活;引入Cu、La及Co后的催化剂活性较低,推测是由于催化剂表面产生强吸附氢物种,不利于1,4-丁炔二醇加氢反应进行;与其他样品相比,Zn的引入使催化剂保持了Ni/SiO2催化剂高的1,4-丁炔二醇加氢活性,同时可有效降低产物中2-羟基四氢呋喃副产物含量,提高目标产物1,4-丁二醇收率。
Ni/SiO2 catalysts modified with different metal promoters,such as Zn,Cu,La,Mo and Co,were prepared by impregnation method.These catalysts were characterized by N2 physical adsorption-desorption,XRD,H2-TPR and NH3-TPD methods,and tested in hydrogenation of 1,4-butynediol.The results showed that the initial activity of Ni/SiO2 catalyst increased greatly with the introduction of Mo,but decreased after 2 h of reaction,which was attributed to the carbon deposition caused by acid sites on the catalyst surface.The low activity of Ni/SiO2 catalysts after doping with Cu,La and Co,was presumably because strong adsorbed hydrogen species appeared on the surface of catalyst,which was not conducive to the hydrogenation of 1,4-butynediol.Compared with other samples,Zn-doped Ni/SiO2 catalyst could keep as high activity for hydrogenation of 1,4-butylenediol as the un-doped one.Meanwhile,the content of 2-hydroxytetrahydrofuran as a by-product was effectively reduced,and the yield of target product 1,4-butanediol was improved.
1, 4-丁炔二醇经催化加氢可合成1, 4-丁烯二醇、1, 4-丁二醇, 并可衍生合成正丁醇、二氢呋喃、四氢呋喃、γ -丁内酯、吡咯烷酮等一系列重要的有机化工产品以及聚丁二酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚氨酯等高分子新材料, 应用范围涉及医药、化工、纺织、造纸、汽车等领域, 拥有广阔的市场前景[1, 2, 3, 4]。作为连接煤基初级化学品甲醛、乙炔与下游高附加值化学品、聚酯新材料的重要环节, 1, 4-丁炔二醇加氢反应至关重要。因此, 开发高性能的加氢催化剂倍受关注[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]。
1, 4-丁炔二醇加氢催化剂主要有Ni基催化剂(包括骨架Ni和负载Ni)和贵金属催化剂(Pt 基和 Pd 基)[14]。贵金属较高的价格, 使其很难在工业生产中大规模应用, 而骨架Ni催化剂在加氢过程中容易发生自燃, 负载型Ni基催化剂凭借其价格低廉和安全性较高的优势受到青睐。Campelo J M等[15]以AlPO4-Al2O3、AlPO4-SiO2、C 等为载体制备负载Ni催化剂, 并应用于1, 4-丁炔二醇加氢反应, 结果表明, 不同载体制备的催化剂1, 4-丁炔二醇加氢活性及产物选择性差异较大, 表现出明显的载体效应。本课题组刘琳丽[16]在研究分别以Al2O3、SiO2、ZrO2为载体的Ni基催化剂的1, 4-丁炔二醇加氢性能时发现, SiO2是适宜的Ni基催化剂载体, 由于 Ni与SiO2间的弱相互作用, Ni以较大晶粒存在, 在加氢过程中, Ni表面产生大量弱吸附活性H, 从而表现为最高的1, 4-丁炔二醇加氢活性, 但在对加氢产物分析时发现, 除目标产物1, 4-丁二醇外, 还存在较多的副产物2-羟基四氢呋喃, 影响1, 4-丁二醇的品质及收率。工业上, 采用骨架Ni为催化剂的1, 4-丁炔二醇加氢过程也存在2-羟基四氢呋喃副产物, 为了消除2-羟基四氢呋喃等物质, 往往采用第二段高温、高压的工艺, 增加了操作成本, 使生产过程更为繁琐[9, 17]。
引入助剂有利于提高催化剂的催化性能, 归因于Ni活性中心分散度的提高及Ni化学环境与还原性质的改善[16]。研究者普遍认为在Ni基催化剂中添加的金属助剂应承担使反应活性及目标产物选择性提高的双向作用[14, 19, 20, 21, 22, 23, 24]。基于此, 本工作选取Ni/SiO2催化剂, 通过分步浸渍法引入Zn、Cu、La等金属助剂, 将其应用于低温、低压下1, 4-丁炔二醇直接加氢反应, 探讨金属助剂对1, 4-丁炔二醇加氢产物选择性的影响, 为高效1, 4-丁炔二醇加氢催化剂设计与开发提供理论指导。
分别以Zn(NO3)2· 6H2O、Cu(NO3)2· 3H2O、La(NO3)2· 6H2O、Co(NO3)2· 6H2O、(NH4)2MoO4· 4H2O为助剂前驱盐, 配制一定浓度的水溶液, 等体积浸渍到SiO2载体中, 静置一定时间后, 120 ℃干燥, 400 ℃焙烧, 得到M/SiO2载体。再配制所需浓度的Ni(NO3)2· 6H2O水溶液, 采用相同方法浸渍到M/SiO2载体上, 经干燥、焙烧, 并于450 ℃、H2气氛中还原3 h, 得到Ni-M/SiO2催化剂, 其中Ni负载质量分数为15%, 助剂M(M=Zn、Cu、La、Mo、Co)负载质量分数为3%。
N2物理吸附-脱附采用美国麦克仪器公司ASAP2020物理吸附仪, 测试前样品于150 ℃真空处理10 h, 然后在液氮温度下测定吸附-脱附等温线, BET方程计算比表面积。
NH3-TPD采用天津先权仪器有限公司化学吸附仪, 称取0.1 g样品, 于50 ℃吸附N
H2-TPR采用天津先权仪器有限公司化学吸附仪, 称取30 mg样品装入石英管中, 通入5%H2-N2混合气, 以10 ℃· min-1升温速率从室温升温至600 ℃, TCD检测器检测H2消耗量。
XRD采用德国布鲁克公司D8 Advance型X射线衍射仪, CuKα , 工作电压40 kV, 工作电流40 mA, 扫描范围10° ~80° , 扫描速率6° · min-1。
称取0.5 g经还原后的Ni-M/SiO2催化剂, 置于100 mL高压反应釜中(安徽科幂机械科技有限公司MS-100), 加入3.5 g的1, 4-丁炔二醇固体和40 mL溶剂甲醇, 密封釜体后, 以N2吹扫10 min, H2置换10次, 充H2至压力1 MPa, 升温至50 ℃, 开搅拌400 r· min-1开始反应, 一定时间后原位取样分析。产物分析采用气相色谱法, 美国Agelient 7890A色谱仪, HP-INNOWAX毛细管柱, FID检测器。
Ni-M/SiO2催化剂的XRD如图1所示。由图1可以看出, 所有焙烧后样品在37.3° 、43.3° 以及62.9° 均呈现清晰的NiO的特征衍射峰, 经还原后NiO消失, 在44.5° 、51.7° 、76.4° 出现金属Ni的特征衍射峰, 表明NiO被H2还原为金属Ni。Ni-M/SiO2催化剂的XRD图中均未出现助剂的特征峰, 归因于低的助剂含量。
Ni-M/SiO2催化剂的织构参数如表1所示。由表1可以看出, 与Ni/SiO2催化剂相比, 引入助剂后催化剂样品的比表面积有所下降, 除Ni-La/SiO2样品的孔容略有下降外, 其他样品的孔容及平均孔径均有所升高, 表明助剂的引入一定程度上改变了催化剂的织构参数。与Ni/SiO2催化剂相比, Ni-Co/SiO2催化剂中Ni晶粒尺寸由13.6 nm减小至10.7 nm, Cu、La的引入对Ni晶粒尺寸影响不大, Zn、Mo的引入使Ni分散度降低且晶粒尺寸增大, 其中Zn引入后使Ni晶粒尺寸增大到21.9 nm。
图2为Ni-M/SiO2催化剂的H2-TPR谱图。由图2可以看出, Ni/SiO2催化剂表现为约385 ℃的主耗氢峰, 表明NiO主要以弱相互作用的物种形式存在[25]。助剂引入后, 催化剂的还原行为发生明显改变, 其中, Cu助剂的引入使得催化剂还原温度明显降低, 表现为峰顶温度为340 ℃的还原峰, 主要是由于CuO具有低温还原的特点, 经低温还原生成的金属Cu活化H2后降低了NiO的还原温度[24]。引入Zn和Mo后, 催化剂样品的还原峰表现为(370 600) ℃的宽化耗氢峰, 由约450 ℃弱的耗氢峰及约500 ℃的主耗氢峰组成, 推测催化剂中Ni与Zn或Mo间具有强相互作用, 甚至形成固熔体, 使NiO的还原变得困难[27, 28]。添加La与Co制备的催化剂的还原峰峰形相似, 均在(330 450) ℃出现主耗氢峰, 表明这两种助剂的引入使Ni的形态更为复杂, 形成了部分与载体有中强相互作用的难还原的Ni物种[21, 29]。
图3为Ni-M/SiO2催化剂的NH3-TPD谱图。
由图3可以看出, Ni/SiO2催化剂仅在(50 250) ℃表现为较弱的NH3脱附峰, 来源于催化剂表面少量弱酸性中心吸附的NH3。添加助剂后, 低于250 ℃时归属于弱酸性位上的NH3脱附峰面积均有不同程度的增强, 同时出现(250500) ℃归属为中强及强酸性中心的NH3脱附峰, 表明助剂的引入产生了新的酸性中心。
通过对NH3脱附峰积分计算得到各样品的总酸量, 结果列于表2。由表2可以看出, Ni/SiO2催化剂酸量最低, 引入助剂后, 总酸量均有增加, 其中Ni-La/SiO2催化剂的总酸量最高。
图4为Ni-M/Si
经10 h反应后, 各催化剂上1, 4-丁二醇浓度均约0.9 mol· L-1, 而Ni-Zn/SiO2催化剂表现为最大的1, 4-丁二醇浓度, 为0.94 mol· L-1, 不同催化剂上1, 4-丁二醇浓度的差异来源于副产物2-羟基四氢呋喃含量的不同。Ni-Zn/SiO2催化剂上的2-羟基四氢呋喃浓度明显低于其他催化剂, 为0.05 mol· L-1。这一结果进一步表明, 引入助剂Zn后, 在不改变1, 4-丁炔二醇加氢活性的前提下, 有效抑制了副产物2-羟基四氢呋喃的生成, 使目标产物1, 4-丁二醇选择性及收率提高。
(1) 研究了助剂对Ni/SiO2催化剂1, 4-丁炔二醇加氢性能的影响, 发现引入助剂La、Co、Cu后, 催化剂加氢活性下降, 归因于较小的Ni晶粒尺寸及助剂作用, 使H2在催化剂表面发生强化学吸附, 不利于低温下1, 4-丁炔二醇加氢反应。
(2) Ni-Mo/SiO2催化剂上较多的酸性中心使催化剂表面积炭失活, 导致催化剂初活性高而后活性快速下降。
(3) 引入助剂Zn后, 保持了与Ni/SiO2催化剂相当的高1, 4-丁炔二醇加氢活性, 归因于Ni与Zn形成固熔体, 有利于低温下吸附活化H2; 同时发现, Zn的引入有效地减少了副产物2-羟基四氢呋喃的生成, 提高了目标产物1, 4-丁二醇收率。
The authors have declared that no competing interests exist.
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