采用浸渍还原法制备了活性炭负载Pt-Fe双金属催化剂(Pt-Fe/AC),考察了其催化对氯硝基苯加氢性能。 与Pt/AC催化剂比较,该催化剂对催化对氯硝基苯加氢表现出高活性和优异的抑制脱氯性能,在乙醇为溶剂、催化剂Pt0.003-Fe0.04/AC(下标为元素在催化剂中的质量分数)用量为0.02 g/g对氯硝基苯、1 MPa H2和30 ℃条件下反应150 min,对氯硝基苯完全转化为对氯苯胺,而且即使在较高的反应温度和H2压力下,脱氯反应也得到了完全抑制。 采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)及X射线光电子能谱(XPS)等技术手段对Pt-Fe/AC催化剂进行了表征。 结果表明,Pt、Fe高度分散在活性炭上,Pt与Fe之间的相互作用对纳米Pt粒子的电子结构有一定的调变作用,使纳米Pt处于缺电子态,减弱了Pt与对氯苯胺苯环之间的电子反馈,这可能是Pt-Fe/AC对催化对氯硝基苯加氢表现出高活性和优异的抑制脱氯性能的主要因素。
An activated carbon supported Pt-Fe bimetallic catalyst(Pt-Fe/AC) was prepared by impregnation reduction method, and its catalytic performance for selective hydrogenation of p-chloronitrobenzene( p-CNB) to p-chloroaniline( p-CAN) was investigated. Compared with Pt/AC catalyst, the Pt-Fe/AC catalyst exhibited higher activity and excellent inhibition of dechlorination. One hundred percent selectivity towards p-CAN at complete conversion of p-CNB was achieved under the following conditions: 30 ℃ for 150 min, 1.0 MPa H2, ethanol as solvent, and 0.02g Pt0.003-Fe0.04/AC catalyst(the lower case numbers represent the mass fraction of related metal in the catalyst) per gram p-CNB. The high selectivity towards p-CAN remained even at high temperature and H2 pressure. The as-prepared catalysts were characterized using X-ray diffraction(XRD), transmission electron microscopy(TEM), and X-ray photoelectron spectroscopy(XPS). The results show that Pt and Fe are well dispersed on the AC surface. The higher activity and excellent selectivity of the Pt0.003-Fe0.04/AC are primarily derived from the electron-deficient state of Pt due to the electronic effect of Pt nanoparticles with Fe, which weakened the extent of electron feedback from Pt particles to the aromatic ring of p-CAN and suppressed the hydrodechlorination of p-CAN.
卤代苯胺是一类重要的有机中间体,广泛用于染料、医药和农药等的合成[1]。 目前,大部分卤代苯胺都是由卤代硝基苯还原制得,还原方法主要有铁粉还原法、硫化碱还原法和催化加氢还原法等。 铁粉还原法和硫化碱还原法由于环境污染严重而逐渐被淘汰,催化加氢还原法工艺先进、能耗低、收率高、废物排放少、更符合现代化工对绿色化学和原子经济性的要求,受到人们广泛关注[2]。
卤代硝基苯加氢催化剂主要有贵金属催化剂、骨架镍催化剂及非晶态合金催化剂。 贵金属催化剂活性高,选择性较好,反应条件温和,研究比较广泛[3,4,5,6]。 在贵金属中,Pt具有较好的催化卤代硝基苯加氢反应性能,受到学术、工业界的普遍关注[7,8,9,10,11]。
卤代硝基苯的加氢还原是一个复杂过程(Scheme 1)[12],除发生生成目标产物卤代苯胺的反应外,还会产生生成卤代亚硝基苯、卤代苯基羟胺、氧化偶氮二卤代苯、偶氮二卤代苯等副反应,尤其碳-卤键的氢解反应,产生苯胺和氢卤酸,不仅使卤代苯胺的收率减少,纯度降低,而且对设备造成腐蚀。 为防止脱卤,通常采用两种方法:一是加入脱卤抑制剂[13],这些添加剂通常是碱或其它给电子化合物,通过与金属粒子的相互作用改变了催化剂的某种性能,从而提高了反应的选择性,但加入脱卤抑制剂会给产品分离带来困难,需要额外的步骤处理液体废物;二是对催化剂进行适当的处理,通过改变贵金属粒子的尺寸[14],将贵金属与其它金属形成合金或选择适当的载体等方法提高反应的选择性[15,16,17]。 最近, Mahata等[18]向Pt/AC中加入第二种金属Cu,用来催化对氯硝基苯加氢反应,发现当在Pt/AC催化剂中加入Cu后,反应的活性和对氯苯胺选择性均明显提高(>99%),并且稳定性大大增强,但仍不能完全避免脱氯。 本文研究了活性炭负载Pt-Fe双金属催化剂催化对氯硝基苯加氢合成对氯苯胺性能,获得了良好的结果。
XRD-6100型X射线衍射仪(日本Shimadzu公司);JEM-2010型透射电子显微镜(日本电子株式会社);PHI-5300 ESCA型X射线光电子能谱仪(美国PE-PHI公司);带聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜(江苏海安县石油科研仪器有限公司);AI-708P型智能控温仪(厦门宇电自动化科技有限公司);GC9890型气相色谱仪(上海灵华仪器有限公司)。 活性炭(AC),分析纯,重庆川东化工有限公司;氯铂酸(含Pt质量分数≥37.5%)(昆明贵金属研究所),分析纯;硝酸铁(成都科龙化学试剂有限公司),分析纯;对氯硝基苯(成都艾科达化学试剂有限公司),化学纯;乙醇(重庆川东化工有限公司),分析纯。
将一定量(0.058~0.071 mm,比表面积219.6 m2/g)的活性炭加入到二次蒸馏水中,搅拌30 min后,抽滤,反复3次,105 ℃干燥10 h,在流动空气中250 ℃焙烧3 h。
先后将处理后的AC和理论计算量的硝酸铁水溶液加入到一定量的二次蒸馏水中,搅拌24 h后,逐滴加入一定量的氯铂酸水溶液,继续搅拌40 h,逐滴加入10 mL新配制的0.5 mol/L NaBH4水溶液,搅拌10 h,抽滤、洗涤至无Cl-为止(用AgNO3检测),所得样品在110 ℃下干燥10 h,300 ℃流动N2中焙烧5 h,得到Pt-Fe/AC催化剂。
采用X射线衍射仪进行物相分析,Cu Kα射线,入射波长0.15418 nm,管电压40 kV,管电流40 mA,扫描范围2 θ=20°~80°,扫描速率0.02°/s。 催化剂粒子的分布状态用透射电子显微镜观察,加速电压200 kV。 Pt0.003-Fe0.04/AC(下标为元素在催化剂中的质量分数)催化剂样品中Pt4 f、Fe2 p的结合能采用X射线光电子能谱仪测定。 Al/Mg双阳极靶,主真空室真空度1.33×10-8 Pa,分辨率0.8 eV。 采用C1 s的结合能285.0 eV对Pt4 f、Fe2 p的结合能进行校正。 Pt、Fe的实际负载量采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)分析。
在60 mL带聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,加入一定量的对氯硝基苯、催化剂和反应介质,关闭反应釜,N2气置换空气2次,H2气置换3次,通入H2气至一定压力,将反应釜置于设定温度的加热仪中,开启搅拌,反应一定时间后取出,放入冰水中使反应迅速停止,冷却后打开反应釜,加入一定量的内标物邻二甲苯,混合后离心分离,离心液用气相色谱分析,FID检测。
图1为载体AC和催化剂Pt0.003-Fe0.04/AC(Pt、Fe的实际负载量分别为0.00287和0.0372)的XRD谱图。 由图1可以看出,载体AC和催化剂Pt0.003-Fe0.04/AC的XRD谱图中2 θ=25.3°和42.9°处分别有两个宽衍射峰,此为活性炭石墨化的特征峰[19]。 39.7°、46.2°、67.5°附近可归属为Pt(111)、Pt(200)、Pt(220)晶面的衍射峰[20]和44.4°处对应Fe(110)晶面的衍射峰[21],在Pt0.003-Fe0.04/AC催化剂的XRD谱图中没有被观察到,这可能是Pt、Fe以高分散形式存在于催化剂中,所以观察不到有关Pt、Fe的XRD特征峰。 对TEM照片分析可得,催化剂表面的Pt、Fe晶粒大小在5 nm以下(图2),高度分散在活性炭上,这与XRD分析结果是一致的。
图3给出了Pt0.003-Fe0.04/AC催化剂中Pt4 f和Fe2 p的XPS谱图。 从图3可以看出,Pt4 f7/2、4 f5/2的结合能分别为71.6、74.9 eV,对应的是金属态Pt(Pt0)的结合能,与本体金属态Pt相比(4 f7/2、4 f5/2的结合能分别为71.0、74.3 eV)[22,23]结合能高0.6 eV。 Fe2 p3/2、2 p1/2的结合能分别为711.1、724.3 eV,该值接近Fe3O4的结合能(Fe3O4中Fe2 p3/2、2 p1/2的结合能分别为711.4、724.6 eV)[24]。 表明Pt与Fe之间的相互作用对纳米Pt粒子的电子结构有一定的调变作用,使纳米Pt处于缺电子态。
表1为不同Fe含量的Pt0.003-Fe/AC催化对氯硝基苯( p-CNB)加氢反应结果,由表1可见,在相同反应条件下,添加Fe后,明显提高了 p-CNB转化率,并提高了对氯苯胺( p-CAN)的选择性。 当催化剂中Fe的质量分数( w)由0增加到4%时, p-CNB转化率由21.6%提高到37.4%; p-CAN选择性由83.4%提高到92.6%。 在增加Fe含量的过程中,随着Fe含量的增加, p-CNB转化率和 p-CAN选择性逐渐升高;当 w(Fe)=4%时, p-CNB转化率和 p-CAN选择性均达到最大值。 但当 w(Fe)>4%时, p-CNB转化率和 p-CAN选择性开始下降。 因此,在Pt0.003/AC催化剂中添加Fe时, w(Fe)=4%是适宜的添加量。 王远等[25]用胶体 γ-Fe2O3捕获纳米Pt制备了Pt/ γ-Fe2O3催化剂,将其催化邻氯硝基苯加氢,显示了较好的活性和选择性(在常温、常压下,邻氯硝基苯的转化率达100%,邻氯苯胺的选择性大于99%)。 他们认为催化剂中纳米 γ-Fe2O3是抑制脱氯的主要原因,Pt粒子负载在 γ-Fe2O3上所处的缺电子状态减弱了Pt与邻氯苯胺苯环之间的电子反馈,因此抑
![]() | 表1 Pt-Fe/AC催化对氯硝基苯选择加氢 Table 1 Selective hydrogenation of p-CNB over Pt-Fe/AC catalysts |
制了邻氯苯胺的加氢脱氯。 基于不同Fe含量的Pt0.003-Fe/AC催化 p-CNB加氢反应数据和表征分析的结果,推测Pt0.003-Fe0.04/AC催化 p-CNB加氢具有高的活性和优异的抑制脱氯性能,主要是适量Fe对纳米Pt粒子的电子结构的调变作用,使纳米Pt处于缺电子态,减弱了Pt与 p-CAN苯环之间的电子反馈,从而抑制了 p-CAN的加氢脱氯。
反应温度对Pt0.003-Fe0.04/AC催化p-CNB加氢反应的影响见表2。 由表2可见,反应温度对Pt0.003-Fe0.04/AC催化p-CNB加氢反应性能影响较大。 在1.0 MPa 氢气条件下,当反应温度从30 ℃升至50 ℃时, p-CNB的转化率从37.4%增至70.6%,增加了近1倍, p-CAN的选择性由92.6%增至96.3%,这主要是因为中间产物对氯亚硝基苯、4,4'-二氯氧化偶氮苯和4,4'-二氯偶氮苯进一步转化为目标产物 p-CAN。 进一步提高反应温度至60 ℃, p-CNB转化率和p-CAN选择性变化均不显著。 因此,Pt0.003-Fe0.04/AC催化 p-CNB加氢制 p-CAN较适宜的反应温度为50 ℃。
![]() | 表2 反应温度对Pt0.003-Fe0.04/AC催化性能的影响 Table 2 Effect of reaction temperature on catalytic performance of Pt0.003-Fe0.04/AC |
H2压力对Pt0.003-Fe0.04/AC催化 p-CNB加氢反应的影响见表3。 由表3可以看出,H2压力对Pt0.003-Fe0.04/AC催化p-CNB加氢活性和选择性有显著的影响。 当H2压力由0.5 MPa增至3.0 MPa时, p-CNB转化率由18.0%增至92.4%, p-CAN选择性由92.2%增至94.5%。 可见,较高的H2压力对Pt0.003-Fe0.04/AC催化 p-CNB加氢制 p-CAN有利。
![]() | 表3 氢气压力对Pt0.003-Fe0.04/AC 催化性能的影响 Table 3 Effect of H2 pressure on catalytic performance of Pt0.003-Fe0.04/AC |
表4为Pt0.003-Fe0.04/AC催化 p-CNB加氢性能随反应时间的变化。 由表4可看出,在30 ℃、1 MPa H2条件下,随着反应时间延长, p-CNB转化率和 p-CAN选择性均升高。 当反应150 min时, p-CNB完全转化为 p-CAN,没有检测到脱氯副产物。 进一步考察了在较高的温度、H2压力(60 ℃、3 MPa)条件下Pt0.003-Fe0.04/AC催化 p-CNB加氢性能。 由表4可看出,在60 ℃、3 MPa H2条件下反应30 min, p-CNB完全转化为 p-CAN。 继续延长反应时间至40 min,也没有检测到脱氯副产物,表明Pt0.003-Fe0.04/AC催化 p-CNB加氢制 p-CAN,脱氯反应得到了完全的抑制。
![]() | 表4 反应时间对Pt0.003-Fe0.04/AC 催化性能的影响 Table 4 Effect of reaction time on catalytic performance of Pt0.003-Fe0.04/AC |
添加适量的Fe可显著提高Pt/AC催化对氯硝基苯制对氯苯胺反应的活性和选择性,脱氯反应得到完全的抑制。 Fe含量对Pt-Fe/AC催化剂的催化性能有显著的影响,当Fe含量为4%时,催化剂活性、对氯苯胺选择性均达到最佳值。 Fe添加提高了Pt/AC催化对氯硝基苯加氢性能,主要可能是Pt与Fe之间的相互作用对Pt纳米粒子的电子结构的调变作用,使纳米Pt处于缺电子态,减弱了Pt与对氯苯胺苯环之间的电子反馈,从而抑制了对氯苯胺的加氢脱氯。 50 ℃、较高的H2压力是Pt0.003-Fe0.04/AC催化 p-CNB加氢制 p-CAN较适宜的反应条件。
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