Rational Design of a Core-Shell Rh@Zeolite Catalyst for Selective Diene Hydrogenation

Jian Zhang Liang Wang Zhiyi Wu Chengtao Wang Zerui Su Feng-Shou Xiao

Citation:  Zhang Jian, Wang Liang, Wu Zhiyi, Wang Chengtao, Su Zerui, Xiao Feng-Shou. Rational Design of a Core-Shell Rh@Zeolite Catalyst for Selective Diene Hydrogenation[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(9): 1912001-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912001 shu

理性设计核-壳Rh-石催化材料用于二烯烃选择加氢反应

    通讯作者: 王亮, liangwang@zju.edu.cn
  • 基金项目:

    浙江省自然科学基金 LR18B030002

    国家重点研发计划(2018YFB0604801), 国家自然科学基金(21822203, 91645105, 91634201), 浙江省自然科学基金(LR18B030002), 北京化工大学高精尖研究中心科研启动费(21530009067)及中央高校基本科研基金(2019XZZX004-02)资助项目

    国家自然科学基金 21822203

    北京化工大学高精尖研究中心科研启动费 21530009067

    中央高校基本科研基金 2019XZZX004-02

    国家重点研发计划 2018YFB0604801

    国家自然科学基金 91645105

    国家自然科学基金 91634201

摘要: 不饱和烃类如二烯烃和炔烃催化转化为单烯烃是制药和有机合成领域中的重要反应。催化剂的理性设计在实现这一过程中起到关键作用,而控制二烯烃分子的吸附姿态是常用的策略。对金属纳米颗粒的定向修饰可以实现这一策略。例如,将Bi元素引入Rh纳米颗粒后,RhBi/SiO2在1, 4-己二烯的转化率为95%时对于2-己烯的选择性达到90%,这是因为1, 4-己二烯内部C=C键的吸附受到抑制。但是,这种策略却大大降低了纳米颗粒的活性,未修饰的Rh/SiO2比RhBi/SiO2的活性高了约27倍。二烯烃分子的吸附姿态也可以通过在金属纳米颗粒周围构筑多孔孔道来调控。例如,金属有机骨架(ZIF-8)或中孔二氧化硅(MCM-41)包裹的贵金属纳米颗粒对末端C=C键的加氢具有很高的选择性。然而,这些催化剂的热/水热稳定性却并不能令人满意。相比之下,沸石却具有非常高的稳定性,但却较少用于半加氢反应。我们最近发现,固定在沸石晶体(例如ZSM-5和Beta)中的金属纳米颗粒可以有效地选择加氢多取代的化合物。受这些工作的启发,我们通过转晶合成方法将Rh纳米颗粒封装在CHA沸石晶体中。这种催化剂首先是将Rh物种引入到Y沸石中(Rh@Y),然后在水热条件下将Y沸石转化为CHA沸石而合成的。XRD图谱,N2吸附等温线,SEM和TEM照片以及探针反应均表明Rh纳米颗粒是封装在CHA沸石晶体内部的。和设想的相同,Rh@CHA催化剂对二烯烃的氢化具有很高的选择性。在催化1, 4-己二烯加氢反应过程中,Rh@CHA给出了86.7%的2-己烯选择性和91.2%的1, 4-己二烯转化率。在同样条件下,常规方法制备的Rh纳米颗粒催化剂(Rh/CHA)的2-己烯选择性仅为37.2%。考虑到Rh@CHA和Rh/CHA具有相同的CHA沸石晶体和相似的Rh纳米颗粒尺寸,Rh@CHA催化剂的高选择性主要归因于二烯烃分子在CHA沸石的微孔孔道控制下只能以直立的姿态吸附在Rh纳米颗粒上。本文的工作表明,具有核-壳结构的沸石封装金属纳米颗粒催化剂对于催化二烯烃选择加氢具有较好的效果。

English

    1. [1]

      Wang, S.; Zhao, Z. J.; Chang, X.; Zhao, J.; Tian, H.; Yang, C.; Li, M.; Fu, Q.; Mu, R.; Gong, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 7668. doi: 10.1002/anie.201903827 doi: 10.1002/anie.201903827

    2. [2]

      Yan, H.; Cheng, H.; Yi, H.; Lin, Y.; Yao, T.; Wang, C.; Li, J.; Wei, S.; Lu, J. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 10484. doi: 10.1021/jacs.5b06485 doi: 10.1021/jacs.5b06485

    3. [3]

      Zhao, M.; Yuan, K.; Wang, Y.; Li, G.; Guo, J.; Gu, L.; Hu, W.; Zhao, H.; Tang, Z. Nature 2016, 539, 76. doi: 10.1038/nature19763 doi: 10.1038/nature19763

    4. [4]

      王沾祺, 周志明, 张锐, 李莉, 程振民.物理化学学报, 2014, 30, 2315. doi: 10.3866/PKU.WHXB201410152Wang, Z.; Zhou, Z.; Zhang, R.; Li, L.; Cheng, Z. M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 30, 2315. doi: 10.3866/PKU.WHXB201410152

    5. [5]

      高晓平, 郭章龙, 周亚男, 敬方梨, 储伟.物理化学学报, 2017, 33, 602. doi: 10.3866/PKU.WHXB201611251Gao, X.; Guo, Z.; Zhou, Y.; Jing, F.; Chu, W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 602. doi: 10.3866/PKU.WHXB201611251

    6. [6]

      Miyazaki, M.; Furukawa, S.; Komatsu, T. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 18231. doi: 10.1021/jacs.7b08792 doi: 10.1021/jacs.7b08792

    7. [7]

      Lucci, F. R.; Liu, J.; Marcinkowski, M. D.; Yang, M.; Allard, L. F.; Flytzani-Stephanopoulos, M.; Sykes, E. C. H. Nat. Commun. 2015, 6, 8550. doi: 10.1038/ncomms9550 doi: 10.1038/ncomms9550

    8. [8]

      Zhang, X.; Shi, H.; Xu, B. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 7132. doi: 10.1002/anie.200502101 doi: 10.1002/anie.200502101

    9. [9]

      Lonergan, W. W.; Vlachos, D. G.; Chen, J. G. J. Catal. 2010, 271, 239. doi: 10.1016/j.jcat.2010.01.019 doi: 10.1016/j.jcat.2010.01.019

    10. [10]

      Yardimci, D.; Serna, P.; Gates, B. C. ACS Catal. 2012, 2, 2100. doi: 10.1021/cs300475c doi: 10.1021/cs300475c

    11. [11]

      Scharnagl, F.; Hertrich, M. F.; Ferretti, F.; Kreyenschulte, C.; Lund, H.; Jackstell, R.; Beller, M. Sci. Adv. 2018, 4, eaau1248. doi: 10.1126/sciadv.aau1248 doi: 10.1126/sciadv.aau1248

    12. [12]

      Berhault, G.; Bisson, L.; Thomazeau, C.; Verdon, C.; Uzio, D. Appl. Catal. B 2007, 327, 32. doi: 10.1016/j.apcata.2007.04.028 doi: 10.1016/j.apcata.2007.04.028

    13. [13]

      Massard, R.; Uzio, D.; Thomazeau, C.; Pichon, C.; Rousset, J. L.; Bertolini, J. C. J. Catal. 2007, 245, 133. doi: 10.1016/j.jcat.2006.09.014 doi: 10.1016/j.jcat.2006.09.014

    14. [14]

      Zhang, X.; Shi, H.; Xu, B. Catal. Today 2007, 122, 330. doi: 10.1016/j.cattod.2007.02.016 doi: 10.1016/j.cattod.2007.02.016

    15. [15]

      González, S.; Neyman, K. M.; Shaikhutdinov, S.; Freund, H. J.; Illas, F. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 6852. doi: 10.1021/jp071584v doi: 10.1021/jp071584v

    16. [16]

      Armbrüster, M.; Behrens, M.; Cinquini, F.; Föttinger, K.; Grin, Y.; Haghofer, A.; Klötzer, B.; Knop-Gericke, A.; Lorenz, H.; Ota, A.; et al. ChemCatChem 2012, 4, 1048. doi: 10.1002/cctc.201200100 doi: 10.1002/cctc.201200100

    17. [17]

      McCue, A. J.; McRitchie, C. J.; Shepherd, A. M.; Anderson, J. A. J. Catal. 2014, 319, 127. doi: 10.1016/j.jcat.2014.08.016 doi: 10.1016/j.jcat.2014.08.016

    18. [18]

      Zhang, J.; Wang, L.; Shao, Y.; Wang, Y.; Gates, B. C.; Xiao, F. S. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9747. doi: 10.1002/anie.201703938 doi: 10.1002/anie.201703938

    19. [19]

      Stephenson, C. J.; Hupp, J. T.; Farha, O. K. Inorg. Chem. Front. 2015, 2, 448. doi: 10.1039/c5qi00010f doi: 10.1039/c5qi00010f

    20. [20]

      Shimazu, S.; Baba, N.; Ichikuni, N.; Uematsu, T. J. Mol. Catal. A: Chem. 2002, 182183, 343. doi: 10.1016/S1381-1169(01)00508-8 doi: 10.1016/S1381-1169(01)00508-8

    21. [21]

      Wang, C.; Wang, L.; Zhang, J.; Wang, H.; Lewis, J. P.; Xiao, F. S. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 7880. doi: 10.1021/jacs.6b04951 doi: 10.1021/jacs.6b04951

    22. [22]

      Chai, Y.; Liu, S.; Zhao, Z. J.; Gong, J.; Dai, W.; Wu, G.; Guan, N.; Li, L. ACS Catal.2018, 8, 8578. doi: 10.1021/acscatal.8b02276 doi: 10.1021/acscatal.8b02276

    23. [23]

      Iida, T.; Zanchet, D.; Ohara, K.; Wakihara, T.; Roman-Leshkov, Y. Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 6454. doi: 10.1002/anie.201800557 doi: 10.1002/anie.201800557

    24. [24]

      Van Tendeloo, L.; Gobechiya, E.; Breynaert, E.; Martens, J. A.; Kirschhock, C. E. A. Chem. Commun. 2013, 49, 11737. doi: 10.1039/c3cc47292b doi: 10.1039/c3cc47292b

    25. [25]

      Ji, Y.; Deimund, M. A.; Bhawe, Y.; Davis, M. E. ACS Catal. 2015, 5, 4456. doi: 10.1021/acscatal.5b00404 doi: 10.1021/acscatal.5b00404

    26. [26]

      Baerlocher, C.; McCusker L. B.; Olson, D. H. Atlas of Zeolite Framework Types, 6th ed.; Elsevier: Radarweg, 2007; pp. 96–97.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  24
  • HTML全文浏览量:  0
文章相关
  • 发布日期:  2020-09-15
  • 收稿日期:  2019-12-02
  • 接受日期:  2020-01-06
  • 修回日期:  2019-12-31
  • 网络出版日期:  2020-02-14
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

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章