CN106238075A - 硫化钼催化剂及其制备和在芳香酚及醚类化合物加氢降解中的应用 - Google Patents

硫化钼催化剂及其制备和在芳香酚及醚类化合物加氢降解中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硫化钼催化剂和其制备方法,及其在芳香酚及醚类化合物加氢降解制取高附加值的芳香族精细化学品反应中的应用,该催化剂以硫化钼为主要活性组分,可添加镍、钴、铁、铜、铂、钌、铑、钯、镧、锇、铱等其中一种或几种为第二金属组分,可担载于活性炭(AC)、炭黑(VB)、碳纤维(CF)、石墨烯(Graphene)、碳纳米管(CT)、介孔碳材料、γ‑氧化铝(γ‑Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化钛(TiO2)、硅铝分子筛、磷铝分子筛中的一种载体上,用于芳香酚及醚类化合物催化加氢降解反应中。催化剂能够在150‑350℃,初始氢气压力1‑6MPa的条件下实现芳香酚及醚类化合物高效、高选择性、高收率催化转化为具有芳香结构的高附加值精细化学品。

Description

硫化钼催化剂及其制备和在芳香酚及醚类化合物加氢降解中 的应用
技术领域
本发明属于生物质衍生物催化转化技术领域,具体地说是一种硫化钼催化剂及其制备和在芳香酚及醚类小分子化合物加氢降解制取具有芳香结构的高附加值精细化学品中的应用。
背景技术
石油、天然气、煤炭等化石能源经化学加工炼制可为人类社会提供大量燃料及化学品,它们是当今社会发展的重要动力与保障。然而,由于有限的化石能源储量不断减少,社会的需求量急剧增加以及能源安全和CO2等温室气体的过度排放引起的温室效应等问题,人类正面临着巨大的挑战。可再生能源具有可再生性、环境友好性特点,因此受到格外的重视。生物质能源,作为一种可再生能源,是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气,具有可再生、低污染、CO2净排放接近于零,可有效减轻温室效应等优点。生物质是唯一可再生的有机碳源,在世界范围内分布广泛、易得,因此将生物质转化为化学品和燃料的技术已受到广泛关注。(Dapsens,P.Y.,C.Mondelli and J.Pérez-Ramírez,BiobasedChemicals from Conception toward Industrial Reality:Lessons Learned and To BeLearned.ACS Catalysis,2012.2(7):p.1487-1499.Hanson,S.K.,et al.,AerobicOxidation of Lignin Models Using a Base Metal Vanadium Catalyst.InorganicChemistry,2010.49(12):p.5611-5618.)
木质生物质是生物质能源的重要组成部分,其主要由纤维素(40-50%)、半纤维素(25-35%)及木质素(15-20%)等有机物组成。其中,木质素介于纤维素与半纤维素之间,起到桥梁连接的作用,因此通常被人们称为“天然的水泥”。木质素是一种主要由羟基或甲氧基取代的苯丙烷基结构(愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构)组成的无定型三维聚合物。这些结构单元通过C-O-C醚键和C-C键连接,无序组合成木质素。而且,木质素分子还具有芳香基、甲氧基、酚(醇)羟基、羰基和羧基等多种功能基团和不饱和双键等活性位点,以及与石油相近的C/H含量比,因此,基于其特殊的化学结构和碳氢比,木质素有望成为生产芳烃、环烷烃、烷烃等高品位生物燃油以及酚类等高附加值芳香类精细化学品的主要可再生原料。但是,木质素结构复杂,结构单元间的连接键为化学稳定性很强的C-O-C醚键及C-C键等,这也使得木质素的高效利用面临着巨大的挑战,尽管如此,在木质素转化方面仍取得了很多进展。
Lin等(Lin,Y.,et al.,Catalytic Hydrodeoxygenation of Guaiacol on Rh-Based and SulfidedCoMo and NiMo Catalysts.Energy&Fuels,2011.25(3):p.890-896.)研究了单金属Rh基催化剂对愈创木酚加氢降解的活性,在温度为400℃,40-60min后,愈创木酚转化率可达100%,其产物主要为2-甲氧基环己醇、2-甲氧基环己酮、1-甲氧基环己烷等。Chen等(Chen,W.,et al.,Catalytic conversion of guaiacol in ethanol for bio-oil upgrading to stable oxygenated organics.Fuel Processing Technology,2014.126:p.420-428.)用负载在四种不同固体酸载体上的Pt–Ni基催化剂(SBA-15,ZrO2/SBA-15和SO4 2-/ZrO2/SBA-15)和负载在炭上的Ru,Pt和Pd催化剂分别研究了载体和贵金属对愈创木酚催化转化的影响。He等(He,J.,C.Zhao and J.A.Lercher,Ni-CatalyzedCleavage of Aryl Ethers in the Aqueous Phase.Journal of the American ChemicalSociety,2012.134(51):p.20768-20775.)以2-苯乙基苯基醚,苄基苯基醚和二苯醚分别为底物,用Ni/SiO2作为催化剂在6barH2压力,120℃水溶液中进行芳香醚C-O键的选择性断裂以及含氧中间体的加氢反应,其产物为小分子的芳香族化合物及环烷烃、环己醇。Jongerius等(Jongerius,A.L.,et al.,CoMo sulfide-catalyzed hydrodeoxygenationof lignin model compounds:An extended reaction network for the conversion ofmonomeric and dimeric substrates.Journal of Catalysis,2012.285(1):p.315-323.)研究了硫化CoMo/Al2O3催化剂在十二烷溶剂,300℃,5MPa H2压力下对木质素单体和二聚体模化物的加氢降解活性。结果表明脱甲基和加氢反应同时发生,但在此反应条件下木质素单体很难发生加氢降解,苯酚和甲基苯酚是其主要产物。
目前,很多研究采用贵金属和Ni系催化剂对木质素进行加氢降解反应。贵金属催化剂具有很高的催化加氢活性,可以在较温和的条件下实现加氢降解,然而也正是由于此种催化剂的高活性,很容易使木质素中的苯环加氢饱和,导致芳香性产物的产率低,不利于对特定目标产物的选择性催化转化,而且,贵金属价格昂贵,不适于大规模工业利用。Ni系催化剂的加氢活性也比较高,但其仍不能满足木质素应用中对活性、选择性等方面的要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题,本发明提供了一种硫化钼催化剂催化加氢降解芳香酚及醚类制取具有芳香结构的高附加值精细化学品的方法,解决现有技术中贵金属催化剂在木质素进行加氢降解反应中芳香性产物的产率低、价格昂贵的问题。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种硫化钼催化剂,所述催化剂用式A-MoS2/B表示,其中A为金属镍、钴、铁、铜、铂、钌、铑、钯、镧、锇、铱中的一种或几种或无;B为催化剂载体;活性组分A-MoS2于催化剂中的总担载量为0.1-95wt%;其中,A于催化剂中的担载量为0.0-30wt%,Mo于催化剂中的担载量为0.05-60wt%。
所述催化剂载体B为活性炭、炭黑、碳纤维、石墨烯、碳纳米管、介孔碳材料、γ-氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化钛、硅铝分子筛、磷铝分子筛中的一种或一种以上复合体或无。
活性组分A-MoS2的担载量为5-60wt%,其中,A的担载量为0.1-10wt%,Mo的担载量为2-30wt%。
一种硫化钼催化剂的制备方法,将活性组分Mo的前体和A组分的可溶性盐以wt%A:Mo=0-0.6溶解在去离子水中,待充分溶解后,浸渍载体;经100-160℃干燥,在惰性气体中焙烧后,在H2S/H2混合气体中程序升温硫化,混合气中H2S的体积含量为2-100%;硫化温度为250-800℃,并维持2-5h,在惰性气氛下冷却至室温。
所述硫化温度优选在300-500℃,H2S/H2混合气体中H2S的优选体积含量为10%。
一种硫化钼催化剂在芳香酚及醚类化合物加氢降解制取具有芳香结构的精细化学品反应中的应用。所述芳香酚及醚类化合物加氢反应于密闭高压反应釜中搅拌进行,反应介质为有机溶剂,反应原料的摩尔浓度为0.01-1mol/L,芳香酚及醚类化合物与催化剂的质量比为1:1-20:1,室温下反应釜中填充氢气的初始压力为1-6MPa,升温至反应温度150-350℃,反应时间为1h-6h。
所述芳香酚及醚类化合物为丁香酚、愈创木酚、茴香醚、二苄醚或苄基苯基醚,摩尔浓度为0.1-0.5mol/L。
所述有机溶剂为甲基环己烷、环己烷、十氢化萘、四氢呋喃或1,4-二氧六环。
所述反应温度优选为275-300℃,室温下反应釜中氢气的初始压力优选2-5MPa,反应时间优选为2h–4h。
本发明的有益效果是:
1.本发明所制备的硫化钼催化剂价格低廉,容易制备且相对稳定。
2.催化过程具有很高的产物产率和选择性,较优化的反应条件下,酚类产物的产率和选择性可以达到60%以上。因而,具有很好的应用前景。
过渡金属硫化物具有适宜的加氢降解活性,在一定条件下可以控制加氢降解程度,因此可以产生具有苯环结构的化合物;同时,过渡金属硫化物还具有很好地抗硫性,不会因反应原料含硫而失活。因此,采用过渡金属硫化物催化剂可以从木质素衍生物中高效、高选择性地制取具有芳香结构的高附加值精细化学品。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
MoS2/AC催化剂的制备:将0.92g四水合七钼酸铵溶于9mL去离子水,待完全溶解后加入4.5g活性炭,在室温下浸渍24h,经120℃烘箱干燥12h后,将催化剂前体转入管式炉中,在Ar气氛下450℃焙烧3h,冷却至室温,然后进行程序升温硫化,具体硫化过程为:由室温5℃/min升温至400℃,而后保持4h,在Ar气氛下冷却至室温,H2S/H2总流速为60mL/min,H2S体积分数为10%,得到Mo担载量为10wt%的MoS2/AC催化剂。
实施例2
MoS2/γ-Al2O3催化剂的制备:制备过程类似于实施例1,不同之处在于将载体替换为γ-Al2O3,焙烧时将前体转移至马弗炉中,空气气氛下进行,而后转移至管式炉中程序升温硫化,得到Mo担载量为10wt%的MoS2/γ-Al2O3催化剂。
实施例3
MoS2/SiO2催化剂的制备:制备过程类似于实施例2,不同之处在于将载体替换为SiO2,得到Mo担载量为10wt%的MoS2/SiO2催化剂。
实施例4
MoS2/AC催化剂的制备:制备过程类似于实施例1,不同之处在于将Mo的担载量改为20wt%,得到Mo担载量为20wt%的MoS2/AC催化剂。
实施例5
Ni-MoS2/AC催化剂的制备:制备过程类似于实施例1,不同之处在于将0.50g六水合硝酸镍和0.92g四水合七钼酸铵一起溶于去离子水中,等体积浸渍负载在活性炭上,得到Mo担载量为10wt%,Ni担载量为2wt%的Ni-MoS2/AC催化剂。
实施例6
丁香酚加氢降解实验:将0.41g丁香酚,0.082g MoS2/AC催化剂和20ml甲基环己烷加入到50ml反应釜中,通入氢气置换三次气体后,充氢气至3MPa,以1000转/min的速度进行搅拌,同时升温至300℃反应3h。反应结束后,降至室温,取液体产物,用气相色谱-质谱联用仪和气相色谱仪进行定性和定量检测。丁香酚转化率以(丁香酚初始摩尔数-丁香酚剩余摩尔数)/(丁香酚初始摩尔数)x 100%计算。产物的产率以(产物摩尔数)/(丁香酚初始摩尔数)x 100%进行计算。结果为丁香酚转化率达100%,主要产物为对丙基苯酚、丙基环己烯等,其产率分别为61.07%和16.3%。
实施例7
不同反应温度下MoS2/AC催化剂上丁香酚加氢降解性能的比较,见表1。除反应压力5MPa,反应温度不同外,其他反应条件同实施例6。
表1不同反应温度下MoS2/AC催化剂上丁香酚加氢降解性能的比较
从表中可以看出,MoS2/AC催化剂在一定的温度范围内均有优良的酚类产物产率。较佳温度在275-300℃附近。
实施例8
不同反应时间下MoS2/AC催化剂上丁香酚加氢降解性能的比较,见表2。除反应时间不同外,反应条件同实施例6。
表2不同反应时间下MoS2/AC催化剂上丁香酚加氢降解性能的比较
从表中可以看出,MoS2/AC催化剂在一定的时间范围内均有优良的酚类产物产率。较佳时间为2h-4h。
实施例9
不同氢气压力下MoS2/AC催化剂上丁香酚加氢降解性能的比较,见表3。除反应中的氢气压力不同外,反应条件同实施例6。
表3不同氢气压力下MoS2/AC催化剂上丁香酚加氢降解性能的比较
从表中可以看出,MoS2/AC催化剂在一定的反应压力下均有优良的酚类产物产率。较佳反应压力为2-5MPa。
实施例10
不同载体MoS2/AC、MoS2/γ-Al2O3、MoS2/SiO2及非负载型MoS2催化剂上丁香酚加氢降解性能的比较,见表4。反应条件同实施例6。
从表中可以看出,不同的载体负载的MoS2催化剂均有优良的酚类产物产率。
实施例11
丁香酚加氢降解实验:反应过程类似于实施例6,不同之处在于将有机溶剂替换为环己烷,得到丁香酚转化率为94.69%,主要产物为对丙基苯酚、丙基环己烯、2-甲氧基-4-丙基苯酚等,其产率分别为24.96%、11.02%和38.475%。
实施例12
不同芳香酚及醚类化合物加氢降解实验结果,见表5,反应条件同实施例6。
表5不同芳香酚及醚类化合物加氢降解实验结果
从表中可以看出,MoS2/AC催化剂对芳香酚及醚类化合物均有较好的加氢降解活性,且芳香结构的精细化学品产率都较高。

Claims (10)

1.一种硫化钼催化剂,其特征在于:所述催化剂用式A-MoS2/B表示,其中A为金属镍、钴、铁、铜、铂、钌、铑、钯、镧、锇、铱中的一种或几种或无;B为催化剂载体;活性组分A-MoS2于催化剂中的总担载量为0.1-95wt%;其中,A于催化剂中的担载量为0.0-30wt%,Mo于催化剂中的担载量为0.05-60wt%。
2.按照权利要求1所述的硫化钼催化剂,其特征在于:所述催化剂载体B为活性炭、炭黑、碳纤维、石墨烯、碳纳米管、介孔碳材料、γ-氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化钛、硅铝分子筛、磷铝分子筛中的一种或一种以上复合体或无。
3.按照权利要求1所述的硫化钼催化剂,其特征在于:活性组分A-MoS2的担载量为5-60wt%,其中,A的担载量为0.1-10wt%,Mo的担载量为2-30wt%。
4.一种权利要求1所述硫化钼催化剂的制备方法,其特征在于:将活性组分Mo的前体和A组分的可溶性盐以wt%A:Mo=0-0.6溶解在去离子水中,待充分溶解后,浸渍载体;经100-160℃干燥,在惰性气体中焙烧后,在H2S/H2混合气体中程序升温硫化,混合气中H2S的体积含量为2-100%;硫化温度为250-800℃,并维持2-5h,在惰性气氛下冷却至室温。
5.按照权利要求4所述硫化钼催化剂的制备方法,其特征在于:所述硫化温度在300-500℃,H2S/H2混合气体中H2S的体积含量为10%。
6.一种权利要求1所述硫化钼催化剂在芳香酚及醚类化合物加氢降解制取具有芳香结构的精细化学品反应中的应用。
7.按照权利要求6所述硫化钼催化剂在芳香酚及醚类化合物加氢降解制取具有芳香结构的精细化学品反应中的应用,其特征在于:所述芳香酚及醚类化合物加氢反应于密闭高压反应釜中搅拌进行,反应介质为有机溶剂,反应原料的摩尔浓度为0.01-1mol/L,芳香酚及醚类化合物与催化剂的质量比为1:1-20:1,室温下反应釜中填充氢气的初始压力为1-6MPa,升温至反应温度150-350℃,反应时间为1h-6h。
8.按照权利要求7所述的硫化钼催化剂在芳香酚及醚类化合物加氢降解制取具有芳香结构的精细化学品反应中的应用,其特征在于:所述芳香酚及醚类化合物为丁香酚、愈创木酚、茴香醚、二苄醚或苄基苯基醚,摩尔浓度为0.1-0.5mol/L。
9.按照权利要求7所述的硫化钼催化剂在芳香酚及醚类化合物加氢降解制取具有芳香结构的精细化学品反应中的应用,其特征在于:所述有机溶剂为甲基环己烷、环己烷、十氢化萘、四氢呋喃或1,4-二氧六环。
10.按照权利要求7所述的硫化钼催化剂在芳香酚及醚类化合物加氢降解制取具有芳香结构的精细化学品反应中的应用,其特征在于:反应温度为275-300℃,室温下反应釜中氢气的初始压力2-5MPa,反应时间为2h–4h。
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