一步法合成Pt@ZIF-8及其在1,4-丁炔二醇选择加氢中的应用

引用本文: 李闯, 张明明, 邸鑫, 殷东东, 李文震, 梁长海. 一步法合成Pt@ZIF-8及其在1,4-丁炔二醇选择加氢中的应用[J]. 催化学报, 2016, 37(9): 1555-1561. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62497-X shu

Citation: Chuang Li, Mingming Zhang, Xin Di, Dongdong Yin, Wenzhen Li, Changhai Liang. One-step synthesis of Pt@ZIF-8 catalyst for the selective hydrogenation of 1,4-butynediol to 1,4-butenediol[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2016, 37(9): 1555-1561. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62497-X shu

一步法合成Pt@ZIF-8及其在1,4-丁炔二醇选择加氢中的应用

李闯 ^a, ,
张明明 ^a, ,
邸鑫 ^a, ,
殷东东 ^a, ,
李文震 ^b, ,
梁长海 ^a,

a. 大连理工大学化工学院先进材料和催化工程实验室, 辽宁大连 116024;
b. 爱荷华州立大学生物质可再生能源实验室, 美国爱荷华州 50011
基金项目:
国家自然科学基金（21573031，21428301）；中央高校基本科研业务费专项资金（DUT15ZD106，DUT15RC（4）09）.

摘要: 1,4-丁炔二醇（BYD）部分加氢生成1,4-丁烯二醇（BED），BED进一步加氢生成1,4-丁二醇（BDO）.此外，BYD，BED和BDO还会发生脱水反应生成单醇类产物.工业上BYD加氢反应主要用于生产BDO.由于传统的单金属加氢催化剂很难控制反应的加氢程度，因此一般通过提高反应温度和压力使BYD尽量转化为完全加氢产物BDO，以减少部分加氢产物BED对最终产品收率的影响.部分加氢产物BED在精细化工领域也具有重要的应用，所以选择合适的催化剂和反应条件来提高部分加氢产物BED的选择性具有重要的理论意义和潜在应用价值.文献中常采用Zn、微生物等活性抑制剂来降低贵金属催化剂的加氢活性.这些方法往往比较复杂，所使用的添加剂不仅存在毒性和污染产物，还会增加成本.这些方法得到的催化材料虽然可以提高烯醇的选择性，但是仍需要严格控制反应条件才能得到较高收率的部分加氢产物.本文基于MOFs材料独特的结构和性质，探索了MOFs负载型贵金属催化剂在选择加氢反应中的催化性能.首先制备了一种羧酸根保护的Pt纳米溶胶，并以水为溶剂，增加2-甲基咪唑的加入量，实现了室温下ZIF-8晶体的快速生成.在室温合成ZIF-8的过程中加入羧酸根保护的Pt纳米溶胶，通过羧酸根与ZIF-8之间存在的化学吸附力，实现ZIF-8对Pt纳米粒子的包覆.羧酸根不仅可以稳定溶液中的纳米粒子，同时还起着“桥梁”的作用.羧酸根中的C=O基团与ZIF-8中的Zn原子或有机骨架之间弱的配位作用，增加了纳米粒子和ZIF-8之间的亲和力，实现了金属纳米粒子被ZIF-8包围.Pt纳米粒子的引入对ZIF-8的形成也没有影响，得到的Pt@ZIF-8材料拥有良好的晶体结构和高的比表面积.采用XRD、N₂吸附和TEM等表征揭示了Pt@ZIF-8的结构特点，并研究了其在水相1,4-丁炔二醇加氢反应中的催化性能.结果显示，该材料不仅具有很高的活性，还具有突出的部分加氢选择性.在5次循环反应中，BYD转化率没有明显变化，说明催化剂在反应过程中活性没有降低.在多次反应之后，反应产物的分布也没有发生明显变化，1,4-丁烯二醇选择性在5次反应中都保持在94%以上.结构表征结果则显示，在4次循环使用之后，催化剂的结构已经遭到破坏；5次循环使用之后，催化剂的XRD谱图中ZIF-8的特征衍射峰完全消失.其余谱峰为ZnO特征衍射峰，说明由于反应温度较高，催化剂在多次反应之后其载体ZIF-8发生了分解.循环寿命实验说明，ZIF-8中Zn离子和含氮有机骨架的抑制作用是导致1,4-丁烯二醇高选择性的重要原因.ZIF-8的分解虽然会使孔道塌陷，但是结构中的Zn和含氮的有机骨架组成依然存在，仍然可以达到抑制烯醇进一步加氢的效果，并且Pt纳米溶胶主要存在于外表面，所以催化剂的活性和选择性没有发生明显变化.

关键词:

English

One-step synthesis of Pt@ZIF-8 catalyst for the selective hydrogenation of 1,4-butynediol to 1,4-butenediol

a. Laboratory of Advanced Materials and Catalytic Engineering, School of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China;
b. DCBE, Biorenewables Research Laboratory, Iowa State University, Iowa 50011, USA
Received Date: 06 May 2016
Revised Date: 30 June 2016
Fund Project:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(21573031 and 21428301) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities(DUT15ZD106 and DUT15RC(4)09).

Abstract: A catalyst consisting of platinum nanoparticles on a ZIF-8 support(Pt@ZIF-8) was synthesized in a straightforward one-step procedure, by adding a nanostructured platinum sol during the formation of ZIF-8 at room temperature. Pt@ZIF-8 was highly porous and well crystallized. The Pt nanoparticles were well dispersed within the ZIF-8 support. In the hydrogenation of 1,4-butynediol, Pt@ZIF-8 exhibited high activity, excellent selectivity for 1,4-butenediol of greater than 94%, and reusability. The Pt@ZIF-8 catalyst did not require further additives. The favorable catalytic performance was attributed primarily to the modification of the ZIF-8 support by the platinum nanoparticles.

Key words:

1. [1] A. Molnar, A. Sarkany, M. Varga, J. Mol. Catal. A, 2001, 173, 185-221.
2. [2] M. Crespo-Quesada, F. Cardenas-Lizana, A. Dessimoz, L. Kiwi-Minsker, ACS Catal., 2012, 2, 1773-1786.
3. [3] J. M. Winterbottom, H. Marwan, J. Viladevall, S. Raymarhasay, Stud. Surf. Sci. Catal., 1997, 108, 59-66.
4. [4] R. V. Chaudhari, R. Jaganathan, D. S. Kolhe, G. Emig, H. Hofmann, Appl. Catal., 1987, 23, 141-159.
5. [5] M. M. Telkar, C. V. Rode, V. H. Rane, R. Jagernathan, R. V. Chaudhari, Appl. Catal. A, 2001, 216, 13-22.
6. [6] H. Lindlar, Helvet. Chim. Acta., 1952, 35, 446-450.
7. [7] A. Bruehwiler, N. Semagina, M. Grasemann, A. Renken, L. Kiwi-Minsker, A. Saaler, H. Lehmann, W. Bonrath, F. Roessler, Ind. Eng. Chem. Res., 2008, 47, 6862-6869.
8. [8] R. V. Chaudhari, M. G. Parande, P. A. Ramachandran, P. H. Brahme, H. G. Vadgaonkar, R. Jaganathan, AIChE J., 1985, 31, 1891-1903.
9. [9] G. Bollger, R. Boer, W. Wache, H. Gratze, W. Koerning, DE Patent 2451929, 1976.
10. [10] J. Wood, L. Bodenes, J. Bennett, K. Deplanche, L. E. Macaskie Ind. Eng. Chem. Res., 2010, 49, 980-988.
11. [11] M. M. Zhang, J. C. Guan, B. S. Zhang, D. S. Su, C. T. Williams, C. H. Liang, Catal. Lett., 2012, 142, 313-318.
12. [12] M. Sabo, A. Henschel, H. Frode, E. Klemm, S. Kaskel, J. Mater. Chem., 2007, 17, 3827-3832.
13. [13] X. F. Zhang, F. X. Llabres, I. Xamena, A. Corma, J. Catal., 2009, 265, 155-160.
14. [14] G. Lu, S. Z. Li, Z. Guo, O. K. Farha, B. G. Hauser, X. Y. Qi, Y. Wang, X. Wang, S. Han, X. Liu, J. S. DuChene, H. Zhang, Q. Zhang, X. Chen, J. Ma, S. C. Joachim Loo, D. W. Wei, Y. Yang, J. T. Hupp, F. Huo, Nature Chem., 2012, 4, 310-316.
15. [15] D. Farrusseng, S. Aguado, C. Pinel, Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 7502-7513.
16. [16] C. J. Stephenson, J. T. Hupp, O. K. Farha, Inorg. Chem. Front., 2015, 2, 448-452.
17. [17] X. Q. Jia, S. H. Wang, Y. Fan, J. Catal., 2015, 327, 54-57.
18. [18] Y. Zhang, A. Thomas, M. Antonietti, X. C. Wang, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 50-51.
19. [19] Y. Wang, J. Yao, H. R. Li, D. S. Su, M. Antonietti, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 2362-2365.
20. [20] M. M. Zhang, Y. B. Yang, C. Li, Q. Liu, C. T. Williams, C. H. Liang, Catal. Sci. Technol., 2014, 4, 329-332.
21. [21] C. Li, Z. F. Shao, M. Pang, C. T. Williams, C. H. Liang, Catal. Today, 2012, 186, 69-75.
22. [22] C. Li, Z. F. Shao, M. Pang, C. T. Williams, C. H. Liang, Ind. Eng. Chem. Res., 2012, 51, 4934-4941.
23. [23] J. M. Winterbottom, H. Marwan, J. Viladevall, S. Sharma, S. Raymahasay, Stud. Surf. Sci. Catal., 1997, 108, 59-66.
24. [24] V. I. Rode, P. R. Tayade, J. M. Nadgeri, R. Jaganathan, R. V. Chaudhair, Org. Process Res. Dev., 2006, 10, 278-284.
25. [25] J. A. Isaeva, O. P. Tkachenko, E. V. Afonina, L. M. Kozlova, G. I. Kapustin, W. Grünert, S. E. Soloveva, I. S. Antipin, L. M. Kustov, Microporous Mesoporous Mater., 2013, 166, 167-175.
26. [26] K. Sumida, S. Horike, S. S. Kaye, Z. R. Herm, W. L. Queen, C. M. Brown, F. Grandjean, G. J. Long, A. Dailly, J. R. Long, Chem. Sci., 2010, 1, 184-191.
27. [27] E. Joannet, C. Horny, L. Kiwi-Minsker, A. Renken, Chem. Eng. Sci., 2002, 57, 3453-3460. J. A. Bennett, G. A. Attard, K. Deplanche, M. Casadesus, S. E. Huxter, L. E. Macaskie, J. Wood, ACS Catal., 2012, 2, 504-511.

扫一扫看文章

计量

PDF下载量: 10
文章访问数: 1412
HTML全文浏览量: 378

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

一步法合成Pt@ZIF-8及其在1,4-丁炔二醇选择加氢中的应用

English

One-step synthesis of Pt@ZIF-8 catalyst for the selective hydrogenation of 1,4-butynediol to 1,4-butenediol

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

一步法合成Pt@ZIF-8及其在1,4-丁炔二醇选择加氢中的应用

English

One-step synthesis of Pt@ZIF-8 catalyst for the selective hydrogenation of 1,4-butynediol to 1,4-butenediol

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南： 你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

文章相关

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs