Ni-Re/SiO2催化剂中Ni颗粒尺寸对乙醇胺催化胺化反应的影响

马雷 严丽 陆安慧 丁云杰

引用本文: 马雷,  严丽,  陆安慧,  丁云杰. Ni-Re/SiO2催化剂中Ni颗粒尺寸对乙醇胺催化胺化反应的影响[J]. 催化学报, 2019, 40(4): 567-579. doi: S1872-2067(19)63302-4 shu
Citation:  Lei Ma,  Li Yan,  An-Hui Lu,  Yunjie Ding. Effects of Ni particle size on amination of monoethanolamine over Ni-Re/SiO2 catalysts[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2019, 40(4): 567-579. doi: S1872-2067(19)63302-4 shu

Ni-Re/SiO2催化剂中Ni颗粒尺寸对乙醇胺催化胺化反应的影响

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21273227);中国科学院战略性先导科技专项(XDB17000000).

摘要: 以醇和氨/胺为原料采用催化胺化法合成有机胺长期以来广受关注,该工艺反应副产物只有水,符合现代绿色化工理念.作为工业应用的成功案例,乙醇胺(MEA)催化胺化法目前已成为生产乙撑胺(包括乙二胺(EDA),哌嗪(PIP)等)的主要工艺.MEA催化胺化通常在过渡金属催化剂上进行,如Ni基催化剂,反应过程遵循"借氢机理",经历了"脱氢-缩合胺化-加氢"三个过程.
目前,关于MEA胺化催化剂的研究主要以专利为主,据我们所知,对于催化剂金属颗粒尺寸和胺化性能之间的构效关系的研究极少,特别是对于金属粒径对胺化产物分布的影响,目前还未见报道.因此,本文的目的是合成具有不同Ni颗粒尺寸的Ni-Re/SiO2催化剂,通过滴流床反应器评价,研究颗粒尺寸对MEA胺化活性和产物分布的影响.采用控制催化剂焙烧和还原条件的方法,制备了四种不同Ni粒径的Ni-Re/SiO2催化剂;随后采用N2物理吸附,H2程序升温还原,X射线衍射,H2化学吸附,光电子能谱,红外吸收光谱等对催化剂的孔结构、还原性、粒径分布、金属Ni活性比表面、分散度、表面Ni位点类型和电子性质进行研究.MEA催化胺化反应在滴流床反应器上进行,反应条件为170℃,8.0MPa,MEA液时空速0.5h-1,NH3:MEA摩尔比10:1,H2含量2.5 mol%.
表征结果证明,成功制备了具有不同Ni粒径,且尺寸分布集中的Ni-Re/SiO2催化剂,Ni粒径分别为4.5,10.5,14.6,18.0nm.评价结果表明,Ni颗粒4.5nm的Ni-Re/SiO2催化剂具有最高的活性,MEA转化率高达85.7%,EDA和PIP收率为66.4%,优于以往专利文献所报道的值.结合表征结果分析,这是由于Ni-Re/SiO2(4.5nm)上的Ni粒径小,分散度高,因此Ni活性比表面积大,为胺化反应提供了充足的催化位点.进一步深入研究了Ni颗粒尺寸对MEA胺化反应的影响,发现随着Ni粒径增加,底物MEA的转换频率(TOF)从193h-1增加到253h-1,表明大颗粒有利于胺化反应.此外,随着粒径增加,产物中伯胺和仲胺的摩尔比从1.0增加到2.0,产物EDA的TOFEDA值由63h-1增加到119h-1,表明Ni粒径变化影响了MEA胺化反应途径和产物分布,增大粒径有利于EDA的生成,从而提高了产物中的伯:仲胺之比.实验结果证明,Ni-Re/SiO2催化剂粒径影响了颗粒表面Ni的配位环境,从而改变了表面的电子结构.增大Ni粒径可提高面位点Ni的比例和表面电子云密度,导致中间产物容易从Ni表面脱附,从而有利于促进反应初始阶段MEA与NH3的胺化,提高EDA选择性.

English

    1. [1] G. F. Mackenzie, US Patent 2861995, 1958.

    2. [2] R. Lichtenberger, F. Weiss, US Patent 3068290, 1962.

    3. [3] P. H. Moss, N. B. Godfrey, US Patent 3037023, 1962.

    4. [4] S. W. King, US Patent 5750790, 1998.

    5. [5] A. Baiker, J. Kijenski, Catal. Rev. Sci. Eng., 1985, 27, 653-697.

    6. [6] H. Kimura, Catal. Rev. Sci. Eng., 2011, 53, 1-90.

    7. [7] K. Shimizu, Catal. Sci. Technol., 2015, 5, 1412-1427.

    8. [8] Q. X. Li, G. Y. Zhang, S. Y. Peng, Chin. J. Catal., 2001, 22, 7-10.

    9. [9] F. Yang, D. Liu, Y. Zhao, H. Wang, J. Han, Q. Ge, X. Zhu, ACS Catal., 2018, 8, 1672-1682.

    10. [10] L. Liu, A. Corma, Chem. Rev., 2018, 118, 4981-5079.

    11. [11] Q. Zhang, W. Deng, Y. Wang, Chem. Commun., 2011, 47, 9275-9292.

    12. [12] D. Baudouin, U. Rodemerck, F. Krumeich, A. D. Mallmann, K. C. Szeto, H. Ménard, L. Veyre, J. P. Candy, P. B. Webb, C. Thieuleux, C. Coperet, J. Catal., 2013, 297, 27-34.

    13. [13] J. Z. Guo, Z. Y. Hou, J. Gao, X. M. Zheng, Chin. J. Catal., 2007, 28, 22-26.

    14. [14] S. Y. Wang, B. Zeng, C. Li, Chin. J. Catal., 2018, 39, 1219-1227.

    15. [15] Y. X. Chen, Z. W. Huang, G. Xiao, M. Zhen, J. M. Chen, X. F. Tang, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1588-1596.

    16. [16] Z. Chen, Y. Liang, D. S. Jia, Z. M. Cui, W. G. Song, Chin. J. Catal., 2017, 38, 651-657.

    17. [17] R. J. Shi, F. Wang, X. L. Mu, N. Ta, Y. Li, X. M. Huang, W. J. Shen, Chin. J. Catal., 2010, 31, 626-630.

    18. [18] P. M. Mortensen, J. D. Grunwaldt, P. A. Jensen, A. D. Jensen, Catal. Today, 2016, 259, 277-284.

    19. [19] K. I. Shimizu, N. Imaiida, K. Kon, S. M. A. H. Siddiki, A. Satsuma, ACS Catal., 2013, 3, 998-1005.

    20. [20] R. C. Reuel, C. H. Bartholomew, J. Catal., 1984, 85, 63-77.

    21. [21] L. Ma, L. Yan, A. H. Lu, Y. J. Ding, RSC Adv., 2018, 8, 8152-8163.

    22. [22] L. Ma, K. C. Sun, M. Luo, L. Yan, Z. Jiang, A. H. Lu, Y. J. Ding, J. Phys. Chem. C, 2018, 122, 23011-23025.

    23. [23] S. R. Bare, S. D. Kelly, F. D. Vila, E. Boldingh, E. Karapetrova, J. Kas, G. E. Mickelson, F. S. Modica, N. Yang, J. J. Rehr, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 5740-5755.

    24. [24] C. Louis, Z. X. Cheng, M. Che, J. Phys. Chem., 1993, 97, 5703-5712.

    25. [25] X. Kong, Y. Zhu, H. Zheng, X. Li, Y. Zhu, Y. W. Li, ACS Catal., 2015, 5, 5914-5920.

    26. [26] B. Mile, D. Stirling, M. A. Zammitt, A. Lovell, M. Webb, J. Catal., 1988, 114, 217-229.

    27. [27] X. F. Wang, J. X. Chen, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1818-1830.

    28. [28] J. R. A. Sietsma, J. D. Meeldijk, M. Versluijs-Helder, A. Broersma, A. J. Van Dillen, P. E. de Jongh, K. P. de Jong, Chem. Mater., 2008, 20, 2921-2931.

    29. [29] J. R. A. Sietsma, H. Friedrich, A. Broersma, M. Versluijs-Helder, A. J. Van Dillen, P. E. de Jongh, K. P. de Jong, J. Catal., 2008, 260, 227-235.

    30. [30] J. R. A. Sietsma, J. D. Meeldijk, J. P. den Breejen, M. Versluijs-Helder, A. J. Van Dillen, P. E. de Jongh, K. P. de Jong, Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 4547-4549.

    31. [31] S. L. Soled, E. Iglesia, R. A. Fiato, J. E. Baumgartner, H. Vroman, S. Miseo, Top. Catal., 2003, 26, 101-109.

    32. [32] D. Chang, F. A. Sherrod, US Patent 5817593, 1998.

    33. [33] L. Yan, Y. J. Ding, Y. Lv, X. B. Cheng, L. X. Ma, WO Patent 2013152548 A1, 2013.

    34. [34] Y. Zhang, G. Bai, X. Yan, Y. Li, T. Zeng, J. Wang, H. Wang, J. Xing, D. Luan, X. Tang, L. Chen, Catal. Commun., 2007, 8, 1102-1106.

    35. [35] A. Fischer, T. Mallat, A. Baiker, Angew. Chem. Int. Ed., 1999, 38, 351-354.

    36. [36] G. Jenzer, T. Mallat, A. Baiker, Catal. Lett., 1999, 61, 111-114.

    37. [37] J. H. Cho, J. H. Park, T. S. Chang, J. E. Kim, C. H. Shin, Catal. Lett., 2013, 143, 1319-1327.

    38. [38] J. M. Mayne, K. A. Dahlberg, T. A. Westrich, A. R. Tadd, J. W. Schwank, Appl. Catal. A, 2011, 400, 203-214.

    39. [39] Y. Yao, Z. Yan, L. Chen, Z. Zhou, L. Liu, D. W. Goodman, Catal. Lett., 2012, 142, 1437-1444.

    40. [40] C. Asokan, L. Derita, P. Christopher, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1473-1480.

    41. [41] H. J. Shen, X. Y. Wu, D. H. Jiang, X. N. Li, J. Ni, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1597-1602.

    42. [42] Y. K. Lee, S. T. Oyama, J. Catal., 2006, 239, 376-389.

    43. [43] H. X. Cao, J. Zhang, C. L. Guo, J. G. Chen, X. K. Ren, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1127-1137.

    44. [44] C. Hu, Y. Chen, P. Li, H. Min, Y. Chen, A. Tian, J. Mol. Catal. A, 1996, 110, 163-169.

    45. [45] G. Poncelet, M. A. Centeno, R. Molina, Appl. Catal. A, 2005, 288, 232-242.

    46. [46] M. B. Jensen, S. Morandi, F. Prinetto, A. O. Sjåstad, U. Olsbye, G. Ghiotti, Catal. Today, 2012, 197, 38-49.

    47. [47] A. S. Mårtensson, C. Nyberg, S. Andersson, Surf. Sci., 1988, 205, 12-24.

    48. [48] B. Liu, M. T. Lusk, J. F. Ely, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 13715-13722.

    49. [49] C. P. Li, A. Proctor, D. M. Hercules, Appl. Spectrosc., 1984, 38, 880-886.

    50. [50] G. F. Liang, Y. Zhou, J. P. Zhao, A. Y. Khodakov, V. V. Ordomsky, ACS Catal., 2018, 8, 11226-11234.

    51. [51] Z. J. Zhao, F. Liu, L. M. Qiu, L. Z. Zhao, S. K. Yan, Acta Phys.-Chim. Sin., 2008, 24, 1685-1688.

    52. [52] J. Lif, M. Skoglundh, L. Löwendahl, Appl. Catal. A, 2002, 228,145-154.

    53. [53] J. Lif, M. Skoglundh, L. Löwendahl, Appl. Catal. A, 2004, 274, 61-69.

    54. [54] K. Segawa, S. Mizuno, Y. Maruyama, S. Nakata, Stud. Surf. Sci. Catal., 1994, 84, 1943-1950.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  10
  • 文章访问数:  1466
  • HTML全文浏览量:  126
文章相关
  • 收稿日期:  2018-10-24
  • 修回日期:  2019-01-08
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