DE19827844A1 - Verfahren zur Herstellung von Schalenkatalysatoren durch CVD-Beschichtung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Schalenkatalysatoren durch CVD-BeschichtungInfo
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- C07C67/05—Preparation of carboxylic acid esters by reacting carboxylic acids or symmetrical anhydrides onto unsaturated carbon-to-carbon bonds with oxidation
- C07C67/055—Preparation of carboxylic acid esters by reacting carboxylic acids or symmetrical anhydrides onto unsaturated carbon-to-carbon bonds with oxidation in the presence of platinum group metals or their compounds
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
- B01J23/48—Silver or gold
- B01J23/52—Gold
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
- B01J23/54—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
- B01J23/56—Platinum group metals
- B01J23/58—Platinum group metals with alkali- or alkaline earth metals
-
- B01J35/397—
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Methode zur Herstellung von Pd/Au-haltigen Trägerkatalysatoren durch CVD (Chemical Vapour Deposition) von verdampfbaren Pd/Au-Precursoren. Dazu werden geeignete Edelmetallprecursoren über die Dampfphase auf porösen Trägerformkörpern abgeschieden und anschließend thermisch oder chemisch zum Metall reduziert und dadurch auf dem Träger fixiert. Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung von Pd/Au-Schalenkatalysatoren auf porösen Trägern nach dieser Methode. DOLLAR A Die auf diese Weise hergestellten Trägerkatalysatoren können für eine Vielzahl von heterogen katalysierten Reaktionen wie Hydrierungen und Oxidationen eingesetzt werden. DOLLAR A Nach dieser Methode hergestellte Pd/Au-Schalenkatalysatoren können erfindungsgemäß in der Vinylacetat-Synthese zum Einsatz kommen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Pd/Au-haltigen
Trägerkatalysatoren durch CVD (Chemical Vapour Deposition) von
verdampfbaren Pd/Au-Precursoren. Die auf diese Weise hergestellten
Trägerkatalysatoren können für eine Vielzahl von heterogen katalysierten
Reaktionen wie Hydrierungen und Oxidationen eingesetzt werden, insbesondere
für die Vinylacetat-Synthese.
Es ist bekannt, Vinylacetat (VAM = Vinyl Acetat Monomer) in der Gasphase aus
Ethylen, Essigsäure und Sauerstoff herzustellen; die für diese Synthese
verwendeten Trägerkatalysatoren enthalten Pd und ein Alkalielement,
vorzugsweise K. Als weitere Zusätze werden Cd, Au oder Ba verwendet. Die
Metallsalze können durch Tränken, Aufsprühen, Aufdampfen, Tauchen oder
Ausfällen auf den Träger aufgebracht werden.
So beschreibt z. B. die US-A-3,743,607 die Herstellung von Pd/Au-
Trägerkatalysatoren für die VAM-Synthese durch Tränkung mit Pd/Au-Salzen
und anschließende Reduktion. Dabei entstehen jedoch keine
Schalenkatalysatoren, sondern die Edelmetalle sind über den gesamten
Pelletquerschnitt gleichmäßig verteilt.
GB 1 283 737 offenbart die Herstellung eines Edelmetall-Schalenkatalysators
durch Vortränkung des Trägers mit einer alkalischen Lösung und Sättigung mit
25-90% Wasser oder Alkohol. Die anschließende Imprägnierung mit Pd-Salzen
und die Reduktion der abgeschiedenen Salze zum Metall ergibt
Schalenkatalysatoren, wobei die Eindringtiefe der Edelmetalle bis zu 50% des
Pelletradius betragen soll.
Ferner ist es bekannt Schalenkatalysatoren durch Tränkung des Trägers mit
einer Lösung aus Pd/Au-Salzen und mit einer wässrigen Base, vorzugsweise
NaOH, wobei unlösliche Pd- und Au-Hydroxide in einer schalenförmigen
Oberflächenzone auf den Pellets ausfallen, herzustellen (US-A-3,775,342; US-
A-3,822,308). Die auf diese Weise in der Schale fixierten Hydroxide werden
dann zu den Metallen reduziert.
GB 1 521 652 erhält nach dergleichen Vorgehensweise (Vorimprägnierung mit
Pd-, Au-Salzen, Trocknung, Basenfällung, Reduktion) Schalenkatalysatoren vom
eggwhite-Typ, d. h. nur ein innerer Ring des kugelförmigen SiO2-Trägers enthält
die Edelmetalle, während der innere Kern und eine dünne äußere Schale nahezu
edelmetallfrei bleiben.
US 4 048 096 fällt wasserunlösliche Pd- und Au-Verbindungen auf dem mit
Pd/Au-Salzen vorimprägnierten Träger mit Na-Silikaten anstelle von NaOH. Die
Schalendicke beträgt dabei weniger als 0.5 mm. Ebenso fixiert US 5 185 308
die Edelmetalle mit Na-Metasilikat oder NaOH in der Schale, wobei im
Unterschied zu US 4 048 096 ein höheres Au/Pd-Verhältnis im Bereich von 0,6
bis 1,25 gewählt wird.
Aus EP 0 519 435 ist die Herstellung eines Pd/Au/K- oder Pd/Cd/K-
Schalenkatalysators bekannt, wobei ein spezielles Trägermaterial vor der
Imprägnierung mit einer Säure gewaschen und nach der Imprägnierung mit einer
Base behandelt wird.
In US-A-4,087,622 wird die Herstellung von Schalenkatalysatoren durch
Vorbekeimung mit (reduzierten) Pd/Au-Metallkeimen in geringer Konzentration
beschrieben, indem der poröse SiO2 oder Al2O3 Träger mit einer Pd/Au-
Salzlösung imprägniert wird, getrocknet wird und dann das Pd/Au-Salz zum
Metall reduziert wird. Dieser Prenukleationsschritt wird gefolgt von der
Abscheidung der katalytisch notwendigen Edelmetallmenge, also der
Hauptmenge, die sich dann in einer oberflächennahen Schale anreichert.
Das CVD (Chemical Vapour Deposition)-Verfahren ist als
Beschichtungsmethode im Stand der Technik seit langem bekannt.
Hauptsächlich wird dieses Verfahren bei der Herstellung von funktionellen
Stoffen wie Lichtwellenleiter, Isolatoren, Halbleitern, Leiterbahnen und
Hartstoffschichten angewandt.
Die Chemische Gasphasenabscheidung gehört zu den wichtigsten Prozessen in
der Dünnschichttechnologie. Dabei reagieren in der Gasphase transportierte
molekulare Vorstufen (Precursoren) an heißen Oberflächen im Reaktor zu
haftenden Beschichtungen. Gasphasenmethoden, die sich von der
Metallorganischen Chemischen Dampfabscheidung (MOCVD) ableiten, sind in
mehrfacher Hinsicht interessante Alternativen zur Synthese von Katalysatoren,
denn eine störende Fracht an Salzen und Stabilisatoren ist nicht vorhanden. Die
inneren Oberflächen von Trägermaterialien lassen sich so mit hochgradig
feinverteilten, reinen Metallpartikeln bekeimen. Die Infiltration in die Poren eines
Trägers wird Chemische Dampfinfiltration (CVI = chemical vapor infiltration)
genannt.
Zusammenfassende Übersichten über Prinzip und Anwendungen der CVD-
Technik finden sich z. B. in folgenden Literaturstellen: A. Fischer, Chemie in
unserer Zeit 1995, 29, Nr. 3, S. 141-152; Weber, Spektrum der Wissenschaft,
April 1996, 86-90; L. Hitchman, K. F. Jensen, Acad. Press, New York, 1993
oder M. J. Hampden-Smith, T. T. Kodas, The Chemistry of Metal CVD, VCH,
Weinheim, 1994.
Es war eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschichtungsmethode
zur Herstellung von Schalenkatalysatoren bereitzustellen, die die Nachteile der
konventionellen Imprägniertechnik vermeidet und insbesondere die
kostengünstige, zeitsparende und reproduzierbare Herstellung von
Trägerkatalysatoren mit wohldefinierter und kontrollierbarer Schalenstruktur
(vom egg-shell oder egg-white Typ) erlaubt.
Egg-shell bezeichnet hierbei eine äußere Schale, die sich von der äußeren
Oberfläche nach innen erstreckt.
Egg-white hingegen ist eine "innere ringförmige Schale" in einer
oberflächennahen Zone des Formkörpers etwas unterhalb des äußeren Randes,
wobei die nicht mit Edelmetallen belegte ganz äußere Zone Katalysatorgifte
abfangen soll und so die darunter liegenden katalytisch aktiven Schichten vor
Vergiftung schützen soll.
Art der Schale und Schalendicke (Eindringtiefe der Edelmetallprecursoren) kann
experimentell beeinflußt werden, z. B. über den Druck.
Es wurde nun gefunden, daß die Anwendung des CVD-Verfahrens in
Kombination mit geeigneten Precursoren und einer Kontrolle der
Prozeßparameter die Herstellung von Pd/Au-Trägerkatalysatoren mit wesentlich
verbesserter Metalldispersion, Einheitlichkeit und deutlich verminderten
Teilchengrößen mit größeren Aktivmetalloberflächen und damit gesteigerter
Aktivität erlaubt als die Imprägniertechnik.
Die im Stand der Technik beschriebenen Schalenkatalysatoren werden durch
Imprägnieren, Tränken, Tauchen oder Sprühimprägnieren hergestellt. CVD
wurde bisher nicht angewandt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Edelmetall-Schalenkatalysatoren
mit definierter Schalendicke auf porösen Keramikträgern durch Beschichtung des
Trägermaterials mit unzersetzt verdampfbaren Edelmetall-Precursoren nach dem
Chemical-Vapor-Deposition-(CVD)-Verfahren hergestellt werden, wobei die
Fixierung der Edelmetalle durch simultane oder nachträgliche thermische oder
chemische Reduktion erfolgt.
Als (Edelmetall)-Precursoren, d. h. Aktivmetallverbindungen, die in der Schale
konzentriert werden können, sind alle unzersetzt verdampfbaren Verbindungen
der einsetzbaren Metalle, inklusive deren Mischungen, geeignet.
Bevorzugt sind Pd, Au, Pt, Ag, Rh, Ru, Cu, Ir, Ni und/oder Co. Besonders
bevorzugt sind Pd, Pt, Ag, Rh und Au, insbesondere Pd und Au.
Geeignete Pd-Precursoren sind z. B. Pd(allyl)2, Pd(C4H7)acac, Pd(CH3allyl)2,
Pd(hfac)2, Pd(hfac)(C3H5), Pd(C4H7)(hfac) und PdCp(allyl), insbesondere
PdCp(allyll). (acac = Acetylacetonat, hfac = Hexaflouracetylacetonat, Cp =
Cyclopentadienyl, tfac = Triflouracetylacetonat, Me = Methyl)
Geeignete Au-Precursoren sind z. B. Me2Au(hfac), Me2Au(tfac), Me2Au(acac),
Me3Au(PMe3), CF3Au(PMe3), (CF3)3Au(PMe3), MeAuP(OMe)2But,
MeAuP(OMe)2Me und MeAu(PMe3). Bevorzugt ist Me3PAuMe.
Die Edelmetalle werden auf dem Träger durch thermische oder chemische
Reduktion, nachträglich oder simultan bei der Beschichtung fixiert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich Schalenkatalysatoren mit
einer wesentlich besseren Metalldispersion und Einheitlichkeit, d. h. einer im
wesentlichen monomodalen und schmalbandigen Partikelgrößenverteilung,
sowie mit kleineren Partikelgrößen herzustellen. Der mittlere
Partikeldurchmesser der Nanoteilchen liegt üblicherweise im Bereich von 1 nm
bis 100 nm.
Über die CVD-Prozeßparameter kann die Schalendicke gesteuert und den
katalytischen Erfordernissen leicht angepaßt werden. Das erfindungsgemäße
Verfahren erlaubt bei Verwendung geeigneter organometallischer Precursoren
die rückstandsfreie Fixierung von Nanoteilchen auf dem Trägermaterial.
Bei den Pd/Au/K-VAM-Katalysatoren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die
beiden Edelmetalle in Form einer Schale auf den Träger aufzubringen, d. h. die
Edelmetalle sind nur in einer oberflächennahen Zone verteilt, während die weiter
innen liegenden Bereiche des Trägerformkörpers nahezu edelmetallfrei sind. Die
Schichtdicke dieser katalytisch aktiven Schalen beträgt ca. 5 µm - 10 mm,
insbesondere 10 µm bis 5 mm, besonders bevorzugt 20 µm bis 3 mm.
Mit den vorliegenden Schalenkatalysatoren ist eine selektivere
Verfahrensdurchführung, bzw. eine Kapazitätserweiterung, möglich als mit
Katalysatoren, bei denen die Trägerteilchen bis in den Kern imprägniert
("durchimprägniert") sind.
Bei der Herstellung von Vinylacetat hat es sich beispielsweise als vorteilhaft
erwiesen, die Reaktionsbedingungen gegenüber den durchimprägnierten
Katalysatoren unverändert zu halten und mehr Vinylacetat pro Reaktorvolumen
und Zeit herzustellen. Dadurch wird die Aufarbeitung des erhaltenen
Rohvinylacetats erleichtert, da der Vinylacetatgehalt im Reaktorausgangsgas
höher ist, was weiterhin zu einer Energieersparnis im Aufarbeitungsteil führt.
Geeignete Aufarbeitungen werden z. B. in US-A-5,066,365, DE-A-34 22 575,
DE-A-34 08 239, DE-A-29 45 913, DE-A-26 10 624, US-A-3 840 590
beschrieben. Hält man dagegen die Anlagenkapazität konstant, so kann man die
Reaktionstemperatur senken und dadurch bei gleicher Gesamtleistung die
Reaktion selektiver durchführen, wobei Edukte eingespart werden. Dabei wird
auch die Menge des als Nebenprodukt entstehenden und daher
auszuschleusenden Kohlendioxids und der mit dieser Ausschleusung
verbundene Verlust an mitgeschlepptem Ethylen geringer. Darüberhinaus führt
diese Fahrweise zu einer Verlängerung der Katalysatorstandzeit.
Die Reduktion der Precursoren, thermisch und/oder chemisch (z. B. H2-Gas),
während und/oder nach der CVD-Beschichtung, führt unter Abspaltung der
Ligandenhülle zu "nackten" und daher hochaktiven metallischen Nanoteilchen
(ungehinderter Zugang der Reaktandenmoleküle an die Metalloberfläche). Da die
Liganden aus kleinen flüchtigen Molekülen bestehen, die durch Anlegen von
leichtem Vakuum und/oder erhöhter Temperatur problemlos abgesaugt werden
können, können "rückstandsfreie" Nanoteilchen erzeugt werden ohne die sonst
üblichen Kontaminationen durch Lösemittel, Gegenionen etc., die irreversibel an
der Metalloberfläche adsorbiert bleiben und dadurch deaktivierend wirken.
Nach einer Variante der Erfindung kann die Edelmetall-Beschichtung und
Trägerfixierung auch simultan in einem Schritt erfolgen, indem z. B. ein
Reduktionsmittel wie H2 als Trägergas verwendet wird und/oder der Träger auf
einer erhöhten Temperatur gehalten wird, so daß die Edelmetallprecursoren
unmittelbar nach ihrer Beaufschlagung auf die Trägeroberfläche reduziert und
dadurch fixiert werden.
Die Beschichtung des Trägermaterials mit Hilfe des CVD-Verfahrens wird
üblicherweise in einem Druckbereich von 10-4-760 Torr und bei einer
Temperatur des Ofens im Bereich von 20-600°C und 20-100°C des
Reservoirs durchgeführt.
Für CpPd(allyl) sind beispielsweise folgende Parameter bevorzugt:
Druck: 2.10-2
Reservoirtemperatur: 27°C = RT
Ofentemperatur: 330°C 1 h lang
Precursormenge: 300 mg CpPd(allyl)
Reservoirtemperatur: 27°C = RT
Ofentemperatur: 330°C 1 h lang
Precursormenge: 300 mg CpPd(allyl)
Als Träger können inerte Materialien, wie SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2, MgO, deren
Mischoxide oder Gemische dieser Oxide, SiC, Si3N4, C, in Form von Kugeln,
Tabletten, Ringen, Sternen oder anderen Formkörpern verwendet werden. Der
Durchmesser bzw. die Länge und Dicke der Trägerteilchen liegt im allgemeinen
bei 3 bis 9 mm. Die Oberfläche der Träger liegt, gemessen mit der BET-
Methode, im allgemeinen bei 10-500 m2/g, bevorzugt bei 20-250 m2/g. Das
Porenvolumen liegt im allgemeinen bei 0.3 bis 1.2 ml/g.
Für die Vinylacetatsynthese haben sich Pd/Au-Schalenkatalysatoren als
besonders geeignet erwiesen, die zusätzlich mit Alkali-Acetaten, bevorzugt K-
Acetat, promotiert sind. Der K-Promotor sowie weitere Promotoren und
Aktivatoren können vor und/oder nach der CVD-Beschichtung mit (Pd/Au)-
Precursoren auf den Träger aufgebracht werden. Als weitere Promotoren oder
Aktivatoren können z. B. Verbindungen von Cd, Ba, Sr, Cu, Fe, Co, Ni, Zr, Ti, Mn, La
oder Ce verwendet werden.
Normalerweise wird der Träger nach der erfindungsgemäßen Methode zunächst
mit Pd- und gegebenenfalls Au-Precursoren mittels CVD in einer
oberflächennahen Zone (Schale) beschichtet, die Edelmetallprecusoren zu den
Metallen reduziert, und gegebenenfalls mit Alkali- oder Erdalkaliacetaten,
insbesondere Na-, K-, Cs- oder Ba-acetat naßchemisch nachimprägniert, wobei
das Alkali- oder Erdalkalimetall gleichmäßig über den Pelletquerschnitt verteilt
ist.
Die Metallgehalte der fertigen Vinylacetatmonomer (VAM)-Katalysatoren haben
folgende Werte:
Der Pd-Gehalt der Pd/Au/K-Katalysatoren beträgt im allgemeinen 0,5 bis 2,0
Gew.-%, vorzugsweise 0,6 bis 1,5 Gew.-%. Der K-Gehalt beträgt im
allgemeinen 0,5 bis 4,0 Gew.-%, vorzugsweise 1,5 bis 3,0 Gew.-%. Der Au-
Gehalt der Pd/K/Au-Katalysatoren beträgt im allgemeinen 0,2 bis 1,0 Gew.-%,
vorzugsweise 0,3 bis 0,8 Gew.-%.
Von jedem der auf die Trägerteilchen aufzubringenden Elemente (Pd/Au/K) muß
mindestens ein Precursor aufgebracht werden. Man kann von jedem Element
mehrere Precursoren aufbringen, aber im allgemeinen bringt man von jedem der
drei Elemente genau ein Salz auf. Die notwendigen Befadungen können in einem
Schritt oder durch Mehrfachabscheidung aufgebracht werden.
Sollen mehrere Edelmetalle auf dem Träger fixiert werden (z. B. Pd und Au),
können nach der erfindungsgemäßen Methode Legierungen oder strukturierte
Nanostrukturen, d. h. Gold auf Palladium oder Palladium auf Gold hergestellt
werden. Die Pd- und Au-Precusoren können simultan oder nacheinander
aufgebracht werden. Ferner kann die CVD-Technik auch mit der klassischen
Imprägniertechnik kombiniert werden, indem z. B. nur Pd aufgedampft wird.
während vor und/oder nach der Pd-Belegung mit Au-Salzen imprägniert wird.
Die CVD-Prozeßparameter wie Art und Partialdruck des Trägergases,
Partialdruck der Precursoren, Zumischen weiterer Inert- oder Verdünnungsgase,
Kontaktzeit, Temperatur etc. erlauben eine einfache Kontrolle und Steuerbarkeit
der Schalendicke, die damit den Erfordernissen optimal angepaßt werden kann.
So ist es beispielsweise problemlos möglich, Schalendicken im Bereich von 5
µm bis 10 mm, insbesondere von 10 µm bis 5 mm einzustellen. Insbesondere
sind kleinere Schalendicken möglich als bei der Imprägniertechnik, deren untere
Grenze bei ca. 0.5 mm liegt. Die Beschichtung kann so gesteuert werden, daß
Schalenstrukturen vom egg-shell oder egg-white Typ herstellbar sind.
Ferner sind (aufgrund der guten Metalldispersion) höhere Edelmetallbeladungen
auf dem Träger möglich, es werden Arbeitsschritte eingespart und das
energieintensive Handling mit hochverdünnten Lösungen wird vermieden.
Löslichkeitsprobleme spielen keine Rolle, da bei der CVD ohne Lösungsmittel
gearbeitet wird. Stattdessen wird üblicherweise ein inertes oder reaktives
Trägergas zum Transport der Precursoren in die Beschichtungskammer
verwendet. Bei ausreichendem Dampfdruck der Precursoren bzw. bei
ausreichendem Vakuum kann auch auf das Trägergas verzichtet werden und
der Partialdruck der Precursoren über die Verdampfungstemperatur im
Vorratsgefäß reguliert werden.
Die zur Präparation der Imprägnierlösungen oft benötigten peinlichst sauberen
Apparaturen und Lösungsmittel (bidestilliertes Wasser) entfallen bei der CVD-
Technik vollkommen. Verunreinigungen in Lösemitteln führen oft zur
unerwünschten Agglomeration von Teilchen und können sogar als
Katalysatorgift wirken.
Die auf diese Weise hergestellten Trägerkatalysatoren können für eine Vielzahl
von heterogen katalysierten Reaktionen wie Hydrierungen und Oxidationen
eingesetzt werden.
Nach dieser Methode hergestellte Pd/Au-Schalenkatalysatoren können
erfindungsgemäß in der Vinylacetat-Synthese zum Einsatz kommen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit möglich einen aktiven
und selektiven VAM-Schalenkatalysator auf Basis Pd/Au mit wenigen
Arbeitsschritten, schnell und kostengünstig herzustellen und dabei eine leichte
Steuerbarkeit der Schalendicke zu ermöglichen.
Gegenüber dem technisch angewandten Verfahren der Fällung von
Edelmetallhydroxiden mit NaOH gefolgt von einem Reduktionsschritt hat die
Erfindung den zusätzlichen Vorteil einer enormen Zeitersparnis (und damit
Kostenersparnis) bei der Herstellung: Denn erfindungsgemäß kann die Schale in
wenigen Minuten erzeugt werden, während sich die NaOH-Fällung über mehr
als 20 h erstreckt. Der herkömmlicherweise noch erforderliche nachgeschaltete
Reduktionsschritt kann beim erfindungsgemäßen Verfahren entfallen, da die
Ausbildung der Schalenstruktur und die Reduktion zu den Metallen gleichzeitig
in einem Schritt erfolgen kann.
Die Herstellung des Vinylacetats erfolgt im allgemeinen durch überleiten von
Essigsäure, Ethylen und Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen bei
Temperaturen von 100 bis 220°C, vorzugsweise 120 bis 200°C, und bei
Drucken von 1 bis 25 bar, vorzugsweise 1 bis 20 bar, über den fertigen
Katalysator, wobei nicht umgesetzte Komponenten im Kreis geführt werden
können. Zweckmäßig hält man die Sauerstoffkonzentration unter 10 Vol.-%
(bezogen auf das essigsäurefreie Gasgemisch). Unter Umständen ist jedoch
auch eine Verdünnung mit inerten Gasen wie Stickstoff oder Kohlendioxid
vorteilhaft. Besonders Kohlendioxid eignet sich zur Verdünnung, da es in
geringen Mengen während der Reaktion gebildet wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Selektivitäten von 90% und
mehr erreicht.
Die erfindungsgemäßen Schalenkatalysatoren zeichnen sich aufgrund ihrer
wesentlich verbesserten Metalldispersion und Einheitlichkeit und deutlich
verminderten Teilchengrößen mit größeren Aktivmetalloberflächen durch hohe
Aktivitäten und Selektivitäten aus.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern.
In einem Dreihalskolben mit Rückflußkühler, Tropftrichter, Gaseinleitung und
Überdruckventil wurden in Methanol (120 ml) und Wasser (20 ml)
Palladiumchlorid (8.88 g, 50 mmol) und Natriumchlorid (5.90 g, 50 mmol)
gelöst. Zu der rührenden Lösung wurde Allylchlorid (13.5 ml, 134 mmol)
zugetropft und anschließend eine Stunde CO (2-2.5 l/h) durch die rotbraune
Lösung geblubbert. Die gelbe Suspension wurde in Wasser (300 ml) geschüttet,
2mal mit Chloroform (100 ml) extrahiert, die Chloroformphase 2mal mit
destilliertem Wasser (2mal 150 ml) gewaschen und das Extrakt über
Calciumchlorid getrocknet. Das Extrakt wurde filtriert und im Vakuum
getrocknet.
Ergebnis: gelbes Pulver
Ausbeute: 6.67 g, 18.2 mmol
Ergebnis: gelbes Pulver
Ausbeute: 6.67 g, 18.2 mmol
Das Produkt wurde ohne Charakterisierung weiterverarbeitet.
(η3-C3H5)2PdCl2 + 2NaC5H5 → 2Pd(η3C3H3)(η5-C5H5) + 2NaCl
Achtung: (η5-Allyl)(η3-cyclopentadienl)palladium ist flüchtig und hat einen
unangenehmen Geruch.
In einem Zweihalskolben mit Schlencktechnik, Überdruckventil und
Tropftrichter wurde unter Stickstoff Allylpalladiumchlorid (6.67 g, 18,2
mmol) in Toluol (50 ml) und Tetrahydrofuran (50 ml) vorgelegt. Mit einer
Salz-Eismischung wurde auf -20 C° gekühlt, langsam
Natriumcyclopentadienid (3.2 g,36.3 mmol) in THF hinzugetropft und eine
Stunde bei -20 C° gerührt. Die Farbe änderte sich von gelb nach dunkelrot.
Nach Aufwärmen auf Raumtemperatur wurde der Ansatz eine weitere
Stunde gerührt, um die Reaktion zu vervollständigen. Bei langsamen
Entfernen des Lösungsmittels im Vakuum, erhielt man einen roten
Feststoff, der mit Pentan extrahiert wurde. Das gefilterte Extrakt ergab
nach Abziehen des Lösungsmittels im Vakuum (30-60 Torr) rote Nadeln.
Ausbeute: 4.92 g, 23,3 mmol (64%)
Ausbeute: 4.92 g, 23,3 mmol (64%)
Zu einer Suspension von Trimethylphosphin-gold(I)-chlorid (1.0 g, 3.24 mmol) in
Ether (20 ml) wird bei -10 C° unter Rühren eine Lösung von Methyllithium
gegeben und das Gemisch eine halbe Stunde bei -10°C und zwei Stunden bei
Raumtemperatur weitergerührt. Anschließend werden im Eisbad Wasser (15 ml)
eingetropft, wobei sich die Farbe von milchig-weiß nach schwarz ändert. Die
Mischung wird mit Ether ausgeschüttelt, die Etherschicht abgetrennt und mit
Natriumsulfat getrocknet. Nach dem Einengen und Sublimieren erhält man
weißes Trimethylphosphin-methyigold.
Ausbeute: 422 mg, 1.46 mmol (45% der theoretischen Ausbeute)
Ausbeute: 422 mg, 1.46 mmol (45% der theoretischen Ausbeute)
Der Träger wurde mit einer geringen Menge Pd-Precursor bekeimt, anschließend
der Au-Precursor aufgedampft und danach wiederholt der verbleibende Pd-
Precursor aufgedampft. Der Trägergasstrom betrug 10.7 cm3/min. Die Probe
wurde mit TEM-EDX und REM-EDX analysiert.
Die Schalendicke beträgt ca. 50 µm. Die mittels TEM bestimmte Partikelgröße
liegt bei 2-5 nm. Die chemische Elementaranalyse ergab eine
Edelmetallbeladung von 0.52% Pd und 0.28% Au.
Die Pd/Au-beladenen SiO2-Siliperl-Trägerkugeln aus Beispiel 3 werden mit K-
Acetat nachgetränkt.
Dazu werden 2 g KOAc in 40 ml Wasser gelöst und zusammen zu 50 ml Kugeln
gegeben. Man läßt unter Drehen gut einziehen. Es wird bei 110°C im
Trockenschrank getrocknet.
Die in den Beispielen hergestellten Katalysatoren werden in einem
Mikrofestbettrohrreaktor mit einem Füllvolumen von 36 ml getestet. Die
Gasdosierung erfolgt über Mass Flow Controller (Massendurchflußregler für
Gase) die Essigsäure wird mit einem Liquid Flow Controller
(Massendurchflußregler für Flüssigkeiten) (Fa. Bronkhorst) dosiert. Die
Mischung der Gase und der Essigsäure erfolgt in einem mit Füllkörpern
beschickten Gasmischrohr. Der Reaktoraustrag wird auf Normaldruck entspannt
und durch einen Glaskühler geleitet. Das aufgefangene Kondensat wird offline
mit GC analysiert. Die nichtkondensierbaren Gase werden durch online GC
quantitativ erfaßt.
Vor der Messung wird der Katalysator im Reaktor wie folgt aktiviert:
Der Katalysator wird unter N2 bei Normaldruck von ca. 25°C auf 155°C
aufgeheizt.
Gleichzeitig wird die Gastemperatur auf 150°C und die Gasmischtemperatur auf
160°C erhöht. Die Bedingungen werden einige Zeit gehalten.
Anschließend wird Ethylen zugeführt und der Druck auf 10 bar erhöht. Nach
einer Haltezeit wird Essigsäure zudosiert und die Bedingungen für einige Zeit
gehalten.
Nach der Aktivierung wird der Katalysator wie folgt angefahren und vermessen:
Sauerstoff wird nach dem Gasmischrohr zugegeben und die
Sauerstoffkonzentration schrittweise auf 4.8 Vol.-% (1. Messung) und später
auf 5.2 Vol.-% (2. Messung) erhöht. Es ist immer darauf zu achten, daß die
Explosionsgrenzen des zündfähigen Ethylen/O2-Gemisches nicht überschritten
werden. Gleichzeitig wird die Reaktortemperatur auf 170°C erhöht.
Die Reaktion wird ständig mit dem Gaschromatographen überwacht.
Bei gleichmäßiger Reaktion, d. h. bei konstanter Reaktortemperatur und
gleichbleibender Konzentration von Vinylacetat und CO2 im Produktgasstrom,
beginnt die Probennahme.
Über eine Dauer von ca. 1 h wird eine Flüssigprobe und mehrere Gasproben
entnommen.
Der Produktgasstrom wird mit einer Gasuhr bestimmt.
Nach Beendigung der Austestung wird zunächst die Sauerstoffkonzentration
schrittweise zurückgefahren.
Die erhaltenen Reaktorergebnisse finden sich in Tabelle 1.
Claims (14)
1. Verfahren zur Herstellung von Schalenkatalysatoren mit definierter
Schalendicke auf porösen Keramikträgern durch Beschichtung des
Trägermaterials mit unzersetzt verdampfbaren Precursoren nach dem
Chemical Vapor-Deposition-(CVD)-Verfahren und Fixierung der Metalle
durch simultane oder nachträgliche thermische oder chemische Reduktion.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Precursoren organometallische
Verbindungen von Pd, Au, Pt, Ag, Rh, Ru, Cu, Ir, Ni und/oder Co eingesetzt
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Edelmetallbeschichtung und
-fixierung simultan in einem Schritt erfolgen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Beschichtung nach
dem CVD Verfahren bei einem Druck im Bereich von 10-4 bis 760 Torr und
einer Ofentemperatur im Bereich von 20 bis 600°C durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als Trägermaterialien
SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2, MgO, deren Mischoxide oder Gemische dieser Oxide,
SiC, Si3N4, C, eingesetzt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Trägermaterial eine
Oberfläche von 10 bis 500 m2/g besitzt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei als Precursoren eine
oder mehrere der folgenden Verbindungen eingesetzt werden: Pd(allyl)2,
Pd(C4H7)acac, Pd(CH3allyl)2, Pd(hfac)2, Pd(hfac)(C3H5), Pd(C4H7)(hfac)
PdCp(allyl), Me2Au(hfac), Me2Au(tfac), Me2Au(acac), Me3Au(PMe3),
CF3Au(PMe3), (CF3)3Au(PMe3), MeAuP(OMe)2But, MeAuP(OMe)2Me
und/oder MeAu(PMe3).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mit den Precursoren
über das CVD-Verfahren weitere Promotoren und/oder Aktivatoren auf den
Träger aufgebracht werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei als weitere Promotoren oder Aktivatoren
Cd, Ba, Sr, Cu, Fe, Co, Ni, Zr, Ti, Mn, La oder Ce-Verbindungen verwendet
werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Schalenkatalysator in
einem abschließenden Schritt mit K-, Na-, Cs- oder Ba-Acetat oder deren
Mischungen naßchemisch nachimprägniert wird.
11. Schalenkatalysatoren mit definierter Schalendicke, erhältlich nach einem
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Schalenkatalysatoren nach Anspruch 11 mit einer Schalendicke im Bereich
von 10 µm bis 5 mm.
13. Schalenkatalysator nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei die
Edelmetalle in den Poren des Trägermaterials in einer schalenförmigen
oberflächennahen Zone vom egg-shell oder egg-white-Typ angereichert sind.
14. Verwendung eines Schalenkatalysators gemäß einem der Ansprüche 11 bis
13 bei der Herstellung von Vinylacetat in der Gasphase.
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