RU2551673C1 - Палладийсодержащий катализатор гидрирования и способ его получения - Google Patents

Палладийсодержащий катализатор гидрирования и способ его получения Download PDF

Info

Publication number
RU2551673C1
RU2551673C1 RU2013158097/04A RU2013158097A RU2551673C1 RU 2551673 C1 RU2551673 C1 RU 2551673C1 RU 2013158097/04 A RU2013158097/04 A RU 2013158097/04A RU 2013158097 A RU2013158097 A RU 2013158097A RU 2551673 C1 RU2551673 C1 RU 2551673C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
palladium
catalyst
graphite oxide
hydrogenation
hydrogenation catalyst
Prior art date
Application number
RU2013158097/04A
Other languages
English (en)
Inventor
Артем Андреевич Арбузов
Михаил Васильевич Клюев
Павел Алексеевич Калмыков
Борис Петрович Тарасов
Наталья Александровна Магдалинова
Вячеслав Ервандович Мурадян
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук
Priority to RU2013158097/04A priority Critical patent/RU2551673C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2551673C1 publication Critical patent/RU2551673C1/ru

Links

Landscapes

  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

Изобретение относится к каталитическим химическим процессам, а именно к реакциям гидрирования непредельных углеводородов и ароматических нитросоединений. Задачей изобретения является создание палладийсодержащего катализатора гидрирования, в котором частицы палладия имеют нанометровый размер и равномерно распределены на поверхности носителя. Поставленная задача решается использованием в качестве носителя функционализированного этилендиамином оксида графита. Описанный способ приготовления палладийсодержащего катализатора гидрирования путем нанесения соли двухвалентного палладия (PdCl2) на углеродный наноматериал с последующим восстановлением до нольвалентного палладия боргидридом натрия в атмосфере водорода отличается тем, что в качестве углеродного наноматериала используют модифицированный этилендиамином оксид графита, получаемый кипячением суспензии оксида графита в бутаноле-1 в присутствии избытка этилендиамина. Содержание палладия в катализаторе составляет 4.8-5 вес.%. Катализатор является стабильным при стандартных условиях и не теряет активности при длительном хранении на воздухе, а также сохраняет активность при проведении многократных циклов гидрирования без его регенерации. 2 н.п. ф-лы, 3 пр.

Description

Изобретение относится к каталитическим химическим процессам, а именно к реакциям гидрирования ненасыщенных углеводородов и ароматических нитросоединений.
Реакции гидрирования относятся к основным промышленным процессам, реализуемым, как правило, в присутствии катализатора, в частности, для синтеза ароматических аминов, алициклических и циклических насыщенных органических соединений, высококачественного бензина и т.д.
По литературным данным [Grove D.E. Plat. Met., 2002, 46(2), 92], около 75% промышленных процессов гидрирования проводится на катализаторе Pd/C, содержащем 5% металлического палладия. Богатая каталитическая химия палладия охватывает практически весь спектр реакций, необходимый для органического синтеза. Способ получения катализатора Pd/C основан на восстановлении двухвалентного палладия из прекусоров с последующим осаждением восстановленного палладия на разнообразные активированные угли.
Недостатком данного технического решения является небольшая активность получаемого согласно данному способу катализатора, необходимость создания для осуществления процесса катализа повышенных (свыше 60°C) температур и давления (свыше 5 атм). Это объясняется сложностью активации реакционных центров катализатора, получаемого согласно данному способу.
Известен способ получения палладийсодержащих катализаторов [Патент RU 2258561, патент RU 2326731] гидрирования непредельных углеводородов путем восстановления двухвалентного палладия из прекурсоров с последующим осаждением восстановленного палладия на углеродный материал, отличающийся тем, что в качестве исходного соединения используют перхлорат тетрааквапалладия (II), а восстановленный палладий осаждают на углеродный наноматериал. Такие катализаторы обладают высокой каталитической активностью при гидрировании алкенов по сравнению с катализаторами, полученными путем нанесения палладия на активированный уголь. Однако палладий, осажденный на углеродный наноматериал, образует нанокластеры с относительно невысокой каталитической активностью.
Известен палладийсодержащий электрокатализатор [Патент CN 103120938], в качестве носителя в котором используется графеновый материал. Процесс получения катализатора состоит из трех стадий: (1) получение оксида графита по методике, описанной в [Патент US 2798878]; (2) функционализация оксида графита поверхностно-активным веществом - хлоридом полидиметилдиаллиламмония; (3) осаждение соли двухвалентного палладия (PdCl2) на функционализированный оксид графита с последующим восстановлением боргидридом натрия. Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.
Недостатком катализатора, описанного в способе-прототипе, является сложность и дороговизна получения: требуется дорогостоящее поверхностно-активное вещество - хлорид полидиметилдиаллиламмония, которое трудно удалить после получения катализатора, при совместном восстановлении PdCl2 и оксида графита боргидридом натрия на графеновой поверхности остается большое количество кислородсодержащих групп, значительно снижающих электронную проводимость графеновых слоев.
Задачей изобретения является создание палладийсодержащего катализатора гидрирования, в котором частицы палладия имеют нанометровый размер и равномерно распределены на поверхности носителя.
Поставленная задача решается заявляемым палладийсодержащим катализатором гидрирования, содержащим 4.8-5 вес.% нанокластеров палладия, нанесенных на углеродные наночастицы, в котором в качестве носителя используется функционализированный этилендиамином оксид графита.
Также задача решается способом получения палладийсодержащего катализатора гидрирования, включающим нанесение раствора хлорида палладия в этиловом спирте на носитель функционализированный оксид графита, который получают кипячением бутанольной суспензии оксида графита в присутствии избытка этилендиамина с последующим восстановлением до нольвалентного палладия боргидридом натрия в атмосфере водорода.
Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем: палладийсодержащий катализатор гидрирования содержит частицы палладия, имеющие нанометровый размер и равномерное распределение на поверхности носителя. В качестве носителя функционализированного этилендиамином оксида графита. Носитель в предложенном новом катализаторе значительно отличается от функционализированного оксида графита, предлагаемого в способе-прототипе. Его характеризует отсутствие большого количества кислородсодержащих групп и наличие аминогрупп, равномерно распределенных на графеновой поверхности, способных координировать катионы палладия и выступать в качестве центра роста нанокластеров. Также наличие этилендиаминной цепи (-NH-CH2-CH2-NH2) предотвращает «слипание» частиц носителя, свойственное оксиду графита и графеновым материалам. Такой катализатор стабилен при стандартных условиях и не теряет активности при длительном хранении на воздухе, а также сохраняет активность при проведении многократных циклов гидрирования без его регенерации. После отделения реакционной массы катализатор может быть сохранен и вновь использован в дальнейших процессах.
Заявляемый катализатор получают следующим образом. Оксид графита, полученный по известной методике [Журнал общей химии, 1991, 61(12), 2626-2629], диспергируют в бутаноле-1, в полученную суспензию добавляют избыток этилендиамина и кипятят с обратным холодильником, получившийся осадок отфильтровывают. Высушенный функционализированный оксид графита диспергируют в этаноле. Затем к полученной суспензии, нагретой до температуры 45°C, по каплям добавляют спиртовой раствор хлорида палладия, необходимого для приготовления катализатора требуемого состава. Восстановление палладия проводят боргидридом натрия в атмосфере водорода при температуре 45°C. Высушенный продукт можно использовать в качестве катализатора для гидрирования непредельных углеводородов и ароматических нитросоединений.
Ниже приведены примеры, иллюстрирующие способ получения этого катализатора с использованием оксида графита с элементным составом (вес.%): C 49.3, H 2.4, O 45.1, при соотношении углерода к кислороду (C/O), равном 1.45.
Пример 1. В двугорлую колбу помещают 0.5 г оксида графита, высушенного до постоянного веса в вакууме при 80°C, 50 мл бутанола-1 и диспергируют в ультразвуковой ванне до получения однородной суспензии. В полученную суспензию добавляют 10 мл этилендиамина и кипятят с обратным холодильником в течение 8 ч. Полученный осадок отфильтровывают на стеклянном фильтре, трехкратно промывают спиртом и сушат под вакуумом при 80°C в течение 5 ч. Полученный продукт имеет следующий элементный состав (вес.%): C 75.88; H 2.5; N 13.8; O 7.6; C/O=13.30.
Функционализированный оксид графита диспергируют в 40 мл этанола на ультразвуковой ванне до получения однородной суспензии. Для нанесения 5% палладия полученную суспензию переносят в двугорлую колбу, снабженную капельной воронкой, медленно добавляют раствор хлорида палладия в этаноле, содержащий 25 мг PdCl2, 10 мл этанола и 0.1 мл 6 моль/л HCl, и перемешивают на магнитной мешалке в течение 45 мин. Восстановление проводят в атмосфере водорода, для этого в стеклянный термостатируемый при температуре 45°C реактор помещают 100 мг боргидрида натрия, полученную суспензию прекурсора катализатора перемешивают на магнитной мешалке с фторопластовым якорем в течение 30 мин. Полученный композит отфильтровывают на стеклянном фильтре, трехкратно промывают спиртом и бидистиллированной водой до исчезновения в фильтрате ионов хлора по реакции с 2-ным % раствором нитрата серебра, затем сушат под вакуумом при 80°C в течение 5 ч. Полученный продукт содержит 4.9 вес.% палладия.
Реакцию гидрирования циклогексена проводят следующим образом. В стеклянный термостатируемый реактор под слой растворителя (10 мл этанола) помещают навеску катализатора 30 мг. Затем проводят дополнительную активацию катализатора в атмосфере водорода в течение 10 мин при температуре 45°C. Далее в токе водорода вносят 1·10-3 моль циклогексена и ведут гидрирование при T=45°C, P H 2 = 1
Figure 00000001
атм. Скорость реакции измеряют волюмометрическим методом по поглощению водорода. После гидрирования катализатор отфильтровывают на бумажном фильтре FILTRAK №90 и промывают 90-160 мл дистиллированной воды и 20-40 мл этанола. Затем катализатор сушат в термостатируемом сушильном шкафу при температуре 45°C в течение 2 ч.
Пример 2. Катализатор, полученный по примеру 1, используют в нескольких циклах гидрирования. Для этого в стеклянный термостатируемый реактор под слой растворителя (10 мл этанола) вносят навеску катализатора 30 мг. Затем проводят дополнительную активацию катализатора в атмосфере водорода в течение 10 мин при температуре 45°C. Далее в атмосфере водорода вносят 1·10-3 моль циклогексена и ведут гидрирование при T=45°C, P H 2 = 1
Figure 00000001
атм. После окончания реакции вносят следующую порцию субстрата (1·10-3 моль циклогексена) без отделения продукта реакции и катализатора. Скорость реакции измеряют волюмометрическим методом по поглощению водорода. После гидрирования катализатор отфильтровывают на бумажном фильтре FILTRAK №90 и промывают 90-160 мл дистиллированной воды и 20-40 мл этанола. Затем катализатор сушат в термостатируемом сушильном шкафу при температуре 45°C в течение 2 ч. Аналогично проводят третий, четвертый и пятый циклы гидрирования.
Пример 3. Катализатор, полученный по примеру 1, используют для гидрирования нитробензола. Для этого в стеклянный термостатируемый реактор под слой растворителя (10 мл этанола) помещают навеску катализатора 30 мг. Затем проводят дополнительную активацию катализатора в атмосфере водорода в течение 10 мин при температуре 45°C. Далее в атмосфере водорода вносят 1·10-3 моль нитробензола и ведут гидрирование при Т=45°C, P H 2 = 1
Figure 00000001
атм. Скорость реакции измеряют волюмометрическим методом по поглощению водорода. После гидрирования катализатор отфильтровывают на бумажном фильтре FILTRAK №90 и промывают 90-160 мл дистиллированной воды и 20-40 мл этанола. Затем катализатор сушат в термостатируемом сушильном шкафу при температуре 45°C в течение 2 ч. Аналогично проводят второй, третий, четвертый и пятый циклы гидрирования.
По результатам сканирующей электронной микроскопии определено, что полученный катализатор представляет собой чешуйки, включающие от одного до трех слоев функционализированного оксида графита, размер которых изменяется в пределах от 2 до 10 мкм, с нанесенными нанокластерами палладия размером 1-2 нм. Также определено, что после проведения от 1 до 5 циклов гидрирования размеры кластеров палладия не изменяются. Таким образом, новый катализатор стабилен и пригоден к многократному использованию без необходимости регенерации.
Это подтверждается также элементным анализом. Так, катализатор после первого цикла гидрирования циклогексена и нитробензола содержит 4.8 вес.% палладия, который не изменяется при проведении многократных циклов гидрирования.
Заявляемый катализатор проявил высокую каталитическую активность в реакциях гидрирования различных органических соединений. В случае гидрирования 1·10-3 моль нитробензола скорость поглощения водорода составляет 4.3 мл/мин. Анализ продуктов реакции показал высокий выход анилина (98%). При исследовании стабильности катализатора выход анилина так же высок (98-99%), при этом сохраняется и средняя скорость реакции. В случае гидрирования кратной связи в циклогексене скорость реакции составляет около 2.8 мл/мин. При изучении стабильности катализатора в этой реакции установлено, что во время проведения первого цикла гидрирования происходит «разработка» катализатора, далее скорость остается постоянной, наличие циклогексана не влияет на активность катализатора в этих условиях. Выход циклогексана составил 98%.
Таким образом, новый палладийсодержащий катализатор гидрирования, содержащий 4.8-5 вес.% палладия, нанесенный на оксид графита, функционализированный в отличие от способа-прототипа доступным промышленным этилендиамином. Предложенный катализатор проявляет высокую каталитическую активность в реакциях гидрирования различных органических соединений.

Claims (2)

1. Палладийсодержащий катализатор гидрирования, содержащий 4.8-5 вес.% нанокластеров палладия, нанесенных на углеродные наночастицы, отличающийся тем, что в качестве носителя используется функционализированный этилендиамином оксид графита.
2. Способ получения палладийсодержащего катализатора гидрирования, включающий нанесение раствора хлорида палладия в этиловом спирте на носитель - функционализированный оксид графита, отличающийся тем, что бутанольную суспензию оксида графита кипятят в присутствии избытка этилендиамина с последующим восстановлением до нольвалентного палладия боргидридом натрия в атмосфере водорода.
RU2013158097/04A 2013-12-27 2013-12-27 Палладийсодержащий катализатор гидрирования и способ его получения RU2551673C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013158097/04A RU2551673C1 (ru) 2013-12-27 2013-12-27 Палладийсодержащий катализатор гидрирования и способ его получения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013158097/04A RU2551673C1 (ru) 2013-12-27 2013-12-27 Палладийсодержащий катализатор гидрирования и способ его получения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2551673C1 true RU2551673C1 (ru) 2015-05-27

Family

ID=53294568

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013158097/04A RU2551673C1 (ru) 2013-12-27 2013-12-27 Палладийсодержащий катализатор гидрирования и способ его получения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2551673C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3629145A (en) * 1967-08-16 1971-12-21 Takeda Chemical Industries Ltd Method for preparing catalysts
RU2246986C2 (ru) * 2003-03-31 2005-02-27 Рубаков Сергей Владимирович Способ получения катализатора
CN1698952A (zh) * 2004-05-20 2005-11-23 中国石化上海石油化工股份有限公司 一种负载型钯/碳催化剂的制备方法
RU2402584C2 (ru) * 2004-03-15 2010-10-27 Кабот Корпорейшн Модифицированные углеродные продукты и их применение
CN102895986A (zh) * 2012-10-12 2013-01-30 南京理工大学 一种用于溴酸盐还原的载钯介孔氮化碳催化剂及制备
CN103120938A (zh) * 2013-03-04 2013-05-29 北京化工大学常州先进材料研究院 一种Pd/石墨烯纳米电催化剂的制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3629145A (en) * 1967-08-16 1971-12-21 Takeda Chemical Industries Ltd Method for preparing catalysts
RU2246986C2 (ru) * 2003-03-31 2005-02-27 Рубаков Сергей Владимирович Способ получения катализатора
RU2402584C2 (ru) * 2004-03-15 2010-10-27 Кабот Корпорейшн Модифицированные углеродные продукты и их применение
CN1698952A (zh) * 2004-05-20 2005-11-23 中国石化上海石油化工股份有限公司 一种负载型钯/碳催化剂的制备方法
CN102895986A (zh) * 2012-10-12 2013-01-30 南京理工大学 一种用于溴酸盐还原的载钯介孔氮化碳催化剂及制备
CN103120938A (zh) * 2013-03-04 2013-05-29 北京化工大学常州先进材料研究院 一种Pd/石墨烯纳米电催化剂的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Дунаев А.В. Слоистые углеродные матрицы с наночастицами металлов: получение и свойства. Автореферат, Москва 2010. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Subudhi et al. The fabrication of Au/Pd plasmonic alloys on UiO-66-NH 2: an efficient visible light-induced photocatalyst towards the Suzuki Miyaura coupling reaction under ambient conditions
Zahmakıran et al. Metal nanoparticles in liquid phase catalysis; from recent advances to future goals
Zhao et al. A copper (II)-based MOF film for highly efficient visible-light-driven hydrogen production
Guo et al. Synthesis of platinum nanoparticles supported on poly (acrylic acid) grafted MWNTs and their hydrogenation of citral
US8871300B2 (en) Method for making carbon nanotube based composite
CN103537304B (zh) 硅烷偶联剂改性SiO2负载铑催化剂的制备以及对丁腈橡胶的选择性加氢应用
Liang et al. Scalable synthesis of palladium nanoparticle catalysts by atomic layer deposition
US20100298125A1 (en) Carbon nanotube catalysts having metal catalyst nano-particles supported on inner channel of carbon nanotube and preparation method thereof
CN101862656A (zh) 用于甲醛溶液催化制氢的负载型纳米铜磁性催化剂及其制备方法
Esrafili et al. Development of porous cobalt-/copper-doped carbon nanohybrids derived from functionalized MOFs as efficient catalysts for the Ullmann cross-coupling reaction: Insights into the active centers
EA009857B1 (ru) Нанесение дисперсных частиц металла на подложки с использованием сверхкритических жидкостей
CN107278235B (zh) 产生薄无机膜的方法
Liu et al. Investigation of the performance of heterogeneous MOF-silver nanocube nanocomposites as CO2 reduction photocatalysts by in situ Raman spectroscopy
Ni et al. In situ growth of clean Pd nanoparticles on polystyrene microspheres assisted by functional reduced graphene oxide and their excellent catalytic properties
Wang et al. Encapsulating electron-rich Pd NPs with lewis acidic MOF: reconciling the electron-preference conflict of the catalyst for cascade condensation via nitro reduction
Van Gorp et al. Self-assembled polystyrene beads for templated covalent functionalization of graphitic substrates using diazonium chemistry
WO2012106854A1 (zh) 一种调控金属纳米颗粒在树脂载体内分布的方法
Ren et al. Terpyridine-based Pd (II)/Ni (II) organometallic framework nano-sheets supported on graphene oxide—Investigating the fabrication, tuning of catalytic properties and synergetic effects
JP2009220017A (ja) 金微粒子を担体に分散・固定化する方法およびそれにより得られる材料
Safa et al. Photocatalytic performance of graphene quantum dot incorporated UiO-66-NH2 composite assembled on plasma-treated membrane
CN102909034A (zh) 一种担载型金镍合金纳米催化剂的制备
Liu et al. MIL-53 (Al)-derived bimetallic Pd–Co catalysts for the selective hydrogenation of 1, 3-butadiene at low temperature
Liu et al. Synthesis of core-shell nanostructured SiO2/TiO2 photocatalysts via atomic layer deposition in a fluidized bed with central tube
RU2551673C1 (ru) Палладийсодержащий катализатор гидрирования и способ его получения
US20140065060A1 (en) Precursors for Metal Organic Chemical Vapor Deposition Processes and Their Use