纳米催化剂具有比常规催化剂更佳的催化效果,具有广泛的应用领域.本文提出并研究了两种具有前景的新型纳米催化剂.首先是中国博士后基金资助项目-环保型纳米农药的研制与开发,采用了包覆的方法将纳米金属氧化物与农药制剂结合,制成纳米农药,可以利用自然光将有机物农药降解为水和CO<,2>,既能保证药效,又可以降低农药的残留量,实现环保的功能.本研究针对纳米农药的制备性能提出了详细的实验方案,并讨论了其表面反应的模型.其次,是国家"985"基金资助项目——制氢过程中碳纳米管负载金属催化剂的开发与研究,利用碳纳米管的催化特性和负载特性,通过甲烷热解过程产生氢气,同时生成碳纳米管.该工艺过程可以实现催化剂的自生长过程,同时碳纳米管还具有储氢功能,可以实现产氢和储氢的统一.本研究针对此催化剂和氢气制备过程提出了详尽的实验方案,设计并制作了实验装置.完成了铅池制氢的实验研究,获得了有价值的实验结果.根据此研究思路,已经申请了发明专利"铅冷快堆热解甲烷制氢新工艺".计划申请两项发明专利"新型环保型纳米农药"和"新型制氢碳纳米管催化剂".
合成甲醇催化剂的研究进展
王 莉
(西南化工研究设计院 四川成都 610225)
摘要:介绍了国内外合成甲醇催化剂的研究情况;从性能参数、测定数据、制备方法等方面阐述了锌铬催化剂、铜基催化剂、合金催化剂等国外新型金属催化剂的研究进展。
关键词:甲醇;合成甲醇催化剂;研究进展
中图分类号:TQ223.121;TQ426 文献标识码:A 文章编号:1004-8901(2007)03-0055-04
甲醇是除合成氨之外,惟一可由煤经气化而大规模合成的重要化工原料。甲醇可广泛用于医药、农药、染料、合成纤维、合成树脂和合成塑料等工业,并且还是很有发展前景的液体燃料。当今,石油资源日益短缺,石油价格急剧攀升,因此,充分利用我国丰富的煤炭资源发展合成甲醇具有十分重要的意义。合成甲醇催化剂是合成甲醇的关键技术之一,笔者仅从合成甲醇催化剂的性能参数、测定数据、制备方法等方面介绍国内外甲醇催化剂的研究情况和进展。
1 锌铬催化剂
锌铬催化剂是1种高压固体催化剂,由德国BASF公司于1923年首先研制成功。锌铬催化剂活性较低,为获得较高的催化活性和转化率,操作温度在320～420℃之间,操作压力在25～35MPa,因此被称为高压催化剂。
由于锌铬催化剂的耐热性、抗毒性以及机械强度高、使用寿命长、使用范围广、操作控制容易,在1966年以前世界上几乎所有的甲醇合成厂家均采用该催化剂,但该催化剂中Cr2O3的含量高达10%,成为重要的污染源,因而被逐渐淘汰[1]。
2 铜基催化剂
2.1 CuOZnOAl2O3催化剂
英国ICI公司开发的CuOZnOAl2O3催化剂是比较有代表性的铜基催化剂。ICI公司公布了1种铜基催化剂前体及其催化剂的专利以及这种催化剂前体的制备方法[2]。利用这种方法制得的催化剂原子比为w(Cu)∶w(Zn)∶w(Al)=60∶23.3∶16.7,催化剂在合成甲醇之前在常压下用合成气进行还原,还原气空速为25000h-1,同时缓慢升温至250℃。催化剂的初活性为3.64(以每克催化剂下合成气出口中甲醇气的体积分数计),而在同等操作条件下,由Cu,Zn,Al3种金属化合物共沉淀制备得到的不含不溶于酸的尖晶石的Cu6Zn3Al1催化剂的活性为2.55。利用这种方法制得的催化剂目前还在广泛使用。
在此之后,国内外对铜基合成甲醇催化剂的研究十分活跃,国外的ICI-3、ICI-5,国内的C306、XNC-98、NC307等CuOZnOAl2O3合成催化剂相继开发出来。这些催化剂的活性都较锌铬催化剂有所提高,合成甲醇的温度在220～300℃,压力在4.6～10MPa。目前该类催化剂已广泛使用于工业装置中。各种催化剂性能比较见表1。
CuOZnOAl2O3催化剂对于甲醇的合成,无论是从物理性质,还是从其表面对CO的有效化学吸附能力来分析,均表现良好。这一体系的催化剂比只是简单的将3种物质进行混合时具有更高的催化活性。在研究中,低压合成甲醇的Cu/ZnO基催化剂的活性问题是人们争论的焦点,至今学术界仍然没有统一的说法。
2.2 CuOZnOCr2O3
催化剂铜锌铬催化剂是在铜锌催化剂的基础上发展起来的,ICI和BASF对铜锌铬催化剂均有研究[3],其中BASF开发w(CuO)∶w(ZnO)∶w(Cr2O3)=31∶38∶5,ICI开发的w(CuO)∶w(ZnO)∶w(Cr2O3)为40∶40∶20、24∶38∶38,催化剂的性能比较见表2。
铜锌铬催化剂在低压合成甲醇工艺中具有很好的活性。一般认为Cr2O3的存在可以阻止一小部分CuO还原,从而保护铜催化剂的活性中心。由于Cr2O3对人体有毒害,易对环境造成污染,因此铜锌铬催化剂将被逐步淘汰。
2.3 CuOZnO(Al2O3)K2O催化剂
低压合成甲醇的CuO/ZnO/Al2O3催化剂经碱金属(如钾)改性后获得的低碳醇催化剂很有工业化前途。在此催化体系上,CO/H2合成产物以甲醇为主,研究中发现钾在催化剂中存在的最佳含量大约在1%。陈宝树等用XPS对混合醇合成用CuOZnOAl2O3K2O催化剂的表面状态及钾的作用进行了考察[4,5],目前尚无该催化剂详细的性能参数。
CuOZnOAl2O3K2O和CuOZnOK2O2类催化剂样品采用Cu,Zn及Al的硝酸盐与Na2CO3水溶液共沉淀母体,两母体组成为w(Cu)∶w(Zn)∶w(Al)=45∶45∶10和w(Cu)∶w(Zn)=50∶50,母体经去离子水洗涤,过滤至NaNO3消失,之后在333K干燥12h,再在625K空气中焙烧3h后,经压片、粉碎,筛分成20～40目颗粒,然后用不同浓度的K2CO3水溶液等体积浸渍,经干燥煅烧后获得一系列不同钾含量的催化剂样品。铜基催化剂浸钾后,催化剂比表面积下降,还原温度降低。通过改变浸钾量可以在一定程度上调节活性单元的数量和比例,从而提高催化剂的活性。
2.4 CuOZnOAl2O3V2O3催化剂
西南化工研究设计院开发的C302是比较有代表性的CuOZnOAl2O3V2O3催化剂。该催化剂在220～270℃,4～12MPa,8000～15000h-1空速下表现出很好的活性,与德国GL-104,S79-4和丹麦的MK-10型催化剂相比,甲醇产率都要高,且粗甲醇的有机杂质仅为0.129%,远低于GL-104,S79-4和丹麦的MK-101。该催化剂的耐热性好,使用寿命在2年以上,广泛用于低压合成甲醇装置。
Lurgi公司研制的GL-104催化剂(CuOZnOAl2O3V2O3),其中w(CuO)∶w(ZnO)∶w(Al2O3)∶w(V2O3)=59∶32∶4∶5。该催化剂在250℃和5MPa的操作条件下表现出很好的活性。工业化的CuOZnOAL2O3V2O3合成甲醇催化剂性能比较见表3。
V2O3的加入提高了催化剂的耐热性,同时也提高了催化剂的选择性,但该催化剂对硫十分敏感,这是铜基催化剂合成甲醇的弱点。
2.5 CuOZnOAl2O3Cr2O3
催化剂资料[3]报道了CuOZnOAl2O3Cr2 O3催化剂,这一体系最适宜的化学成分为w(Cu)∶w(Zn)∶w(Al)=60∶35∶5。对于CuZnOAl2O3系催化剂,如果加入Cr则表现出良好的助催化作用。经分析可知,在CuZnOAl2O3催化剂中仅需加入1%的铬就可以提高催化活性30%左右,可大幅降低含铬催化剂在制备过程中和失效催化剂在处理过程中铬对环境的影响,但尚无催化剂性能测试结果的报道。
2.6 CuOZrO2催化剂
近年来具有独特性质的ZrO2在催化领域颇受关注,其化学稳定性好,表面同时具有酸性、碱性及氧化性、还原性。CuOZrO2与CuZnOAl2O3类似,对CO/H2合成甲醇具有较高的活性和选择性。据报道[6,7,8],当铜负载量较小时,就单位质量的铜而言,CuOZrO2较之CuZnO3的甲醇产率更高。同时反应温度对催化剂的活性和选择性有较大的影响。ZrO2的功能函数比铜高,相互作用的结果可能导致铜处于类似缺电状态。由于提高了对CO或H2的吸附能力,从而提高了催化剂的活性。超细粒子ZrO2浸铜以后,活性大幅度提高,转换率比纯铜提高10倍。X射线光电子能谱法研究表明:ZrO2成分的增多,可使甲醇产率不断提高。另据数据表明:催化剂的CuO/ZrO2气凝胶表面积在一定程度上与催化剂活性有关。
华东师范大学林明桂等人考察了锰、镧作为助剂对Cu/ZrO2催化剂上CO加氢合成甲醇反应性能的影响[9],并通过BET,XRD,TPR,H2TPD和COTPD等手段对催化剂的结构及吸附—脱附性能进行了研究。结果表明,锰和镧2种助剂均能有效地提高催化剂的活性,同时引入2种助剂可使催化剂的活性进一步提高,表现出较强的协同效应。一方面,锰的加入可使催化剂各组分的相互作用增强,特别是铜锰复合物的形成可有效促进活性组分的分散,防止催化剂的烧结;另一方面,镧助剂的引入进一步增强了铜锆在界面的相互作用,稳定了催化剂的活性中心,有利于吸附物种在两者之间发生溢流。Cu/ZrO2甲醇合成催化剂性能见表4。
2.7 铜基合成甲醇催化剂改进工艺
中科院广州能源所张喜通等人采用添加表面活性剂两步沉淀法制备了具有高表面铜相对浓度的超细甲醇合成催化剂[10],以组分为φ(H2)∶φ(CO)∶φ(CO2)∶φ(N)=66∶27∶3∶4的原料气对催化剂进行了活性试验。结果表明,该催化剂比传统并流沉淀法制备的铜基催化剂活性提高47.9%,比两步沉淀法和添加表面活性剂并流沉淀法制备的铜基催化剂活性分别提高9.3%和l6.8%。添加表面活性剂并流沉淀法制备的铜基催化剂性能见表5。
中国专利公布了采用喷雾干燥方法制得的铜基合成甲醇催化剂[11]。喷雾干燥的进料温度为300～400℃,出料温度为100～150℃。喷雾干燥为压力式喷雾干燥,压力为0.8～3.0MPa。得到的催化剂具有较小的堆密度,较大的比表面积,在活性测试中表现出高的活性。采用喷雾干燥法制得的催化剂性能见表6。
德国Ruhr大学的研究人员采用了共沉淀—化学气相沉积(CVD)相结合的催化剂制备技术,合成了催化活性较高的Cu/ZnO甲醇合成催化剂。研究结果表明,与传统的合成工艺相比,采用CVD法将具有高活性表面的ZnO粒子引至共沉淀法制备的Cu/Al2O3,可以有效地加大CuZnO表面活性,提高合成甲醇催化剂活性。
3 合金催化剂
英国ICI公司在专利中公布了一种甲醇合成催化工艺以及催化工艺中使用的催化剂[12]。这种合金催化剂比公布的铜基催化剂具有更高的甲醇合成催化活性和更低的反应温度。它们的一般通式如下所示(原子比):
其中M为Cu和/或至少1种Pt族金属;T可选为稀土金属:Yt,Ti,Zr,Ha,Th;当M为Cu时,x=y=1;当M为Pt族金属时,y=20x。
催化剂存在1种以上的M或T。另外,除了这些金属之外,还可以包含少量的金属,例如Al、Mn或碱性稀土金属。
合金催化剂制备方法:Ce金属颗粒和Cu金属颗粒混合物在冷却的铜炉中用电子束熔化20min,然后冷却。得到的合金块在氮气保护下成为600～850mn的小颗粒,再与2倍体积的熔融硅片混合,装入1个可持续加热的等温式甲醇合成反应器中加热至150℃,在5MPa的压力下,体积分数为72%的H2和体积分数为28%的CO合成气通过催化剂,空速为40000h-1。在合成气通过时催化剂前体发生了放热反应,温度升至400℃,然后同时稳定合成气的速率及温度(150℃)。出口气体通过GC分析,甲醇含量的体积分数为2.0%～2.5%(相当于1.14～1.43kg/L·h)。当空速降低至7000h-1,反应温度升至175℃时,甲醇含量体积分数达到4.1%(相当于0.41kg/L·h)。出口气体中还含有体积分数低于0.1%的水和痕量的甲烷。
4 其他非铜基催化剂
近来已经发现承载在载体上的Pd,Pt,Zr及Rh都是活泼的合成甲醇催化剂[3]。尽管这些催化剂的甲醇生成机理还不够清楚,但已认识到这些催化剂对于合成甲醇的良好活性是由于其具有很强的加氧性能,同时伴随有活化非分解吸附CO的能力。研究表明,Pd和Rh催化剂的活性与选择性在很大程度上受载体的组成和催化剂助剂的作用,同时也发现承载在某些类型,如氧化硅或其他碱性载体上的Pd对甲醇合成具有很高的活性与选择性。
例如,质量分数为2.3%的Pd/SiO2催化剂是由氯化钯水溶液浸渍SiO2制备而成。用KNO3溶液浸渍Pd/SiO2可制得K/Pd原子比分别为0.6和0.8的KPd/SiO2催化剂。所有催化剂均在400℃以下流动中还原16h后储存于真空干燥器内,在用于反应前再用氢气在400℃以下将其还原3h。通过分析在Pd/SiO2及KPd/SiO2催化剂上合成产物得出的结论为:在Pd/SiO2催化剂上合成甲醇显现出很高的活性和选择性;在KPd/SiO2催化剂上合成甲醇产率与选择性明显降低。显然钾对Pd/SiO2催化剂的主要作用是抑制其加氧能力,这与Dry,Gonzalez,Campbeu等以前所发现的钾对第Ⅷ族金属催化剂的作用是一致的。应注意的是,在铜基催化剂中加入钾可提高合成甲醇产率,而在Pd/SiO2催化剂中加入钾却导致合成甲醇产率降低。因此,助剂钾在铜基催化剂中的作用与非铜基催化剂中的作用是不同的。这些催化剂均处于研究阶段。
浅谈金属催化有机反应中的碱效应论文
碱, 包括有机碱和无机碱, 在许多催化和计量有机反应中扮演极其重要的角色. 碱的存在不仅可以促进化学反应, 而且可以改变反应途径. 但化学家们对碱的作用的认识仍然不够明确, 缺乏系统的理解. 最近, 北京大学席振峰课题组对近年来涉及到碱的许多催化反应进行了系统分析, 概括出了影响碱作用的诸多因素, 其中包括碱性、溶解度、电离度、聚集度、溶剂、金属离子大小、金属离子Lewis 酸性、金属离子的“软硬”度、阴离子的大小、阴离子的配位作用等. 本文将对该文及相关文章中有关金属催化有机反应中碱的效应进行介绍.碱的强度可用不同的标准来衡量, 如夺取质子的能力及亲核性, 亲核性又与底物的性质相关. 目前, 大部分的研究认为碱在化学反应中的主要作用是去质子化和中和体系中的质子或酸.
有机碱的强度与取代基和结构有很大关系, 如常用的有机胺的碱性强度在许多文献中都有报道. 在有机溶剂中有很好溶解度的碱金属和碱土金属胺基化合物、烷氧基化合物以及其它金属有机化合物也常被看作有机碱, 例如叔丁醇钠, LDA 及M[N(SiMe3)2] (M=Li, Na,K). 典型的无机碱由金属离子和具有碱性或亲核性的负离子构成, 许多无机碱在有机溶剂中的溶解度较小, 常常需要使用极性大的有机溶剂来提高其溶解度. 无机碱的强度与很多因素有关, 其中最重要的因素是配对离子之间的静电作用及负离子的化学组成和结构. 在去质子化反应中, 影响反应效率的因素除了碱的去质子能力之外, 底物去质子后形成的碳负离子或其它负离子的稳定性也对反应产物收率有极大影响, 而后者的稳定性与金属离子密切相关, 因此无论是正离子和负离子的性质对反应的效率及其选择性的影响都是非常明显的. 例如,Kobayashi 等在2012 年报道了叔丁醇锂作用下的吲哚3-位羧基化反应该反应最初使用的是钯催化的体系, 反应中选择不同碱会使得反应收率有明显变化.当使用弱碱K2CO3 时能得到痕量的羧基化产物, 而当使用较强的Cs2CO3时, 反应收率有了显著提高. 碱性强弱的影响同样体现在叔丁醇类碱中——使用碱性较弱的叔丁醇锂能得到好的反应收率但碱性相对较强的叔丁醇钠则不能得到预期产物, 这很有可能与形成的碳负离子的稳定性相关. 由此可见, 无机碱中的正负离子的性质是影响反应的核心因素之一.
无机碱中的阴离子种类很多, 在有机合成中常用的阴离子包括碳酸根, 磷酸根, 烷氧基和胺基, 卤素及其他类卤素负离子等. 阴离子对反应的影响不仅体现在对反应速度和产率的影响上, 同时也有可能对反应的选择性产生影响 实验结果表明不同阴离子对反应结果的影响很大, 同时需要维持较低的碱阴离子浓度反应才能正常进行. 在这个特殊的反应中, 阴离子的种类对反应有很大影响, 而阳离子影响很小. Doucet等报道过对于相同的底物, 当使用不同的碱时, 会得到不同的产物.ClCF3[Pd] TBABbase, DMAcF3CNaOAc: 64%; KOAc: 61%; Na2CO3: 61%; Cs2CO3: 25%;CaO: 67%; t-BuONa: 3%; NEt3: 12%+ (2)阴离子也可作为配体与催化剂中的金属配位, 从而影响金属中心的反应性. 在许多Pd 催化的偶联反应中碱的作用很有可能是多方面的, 除了传统的促进转金属化, 其与催化剂作用从而提高活性中心的氧化加成能力也不可忽视, 同时金属中心与无机碱中的阴离子的作用, 也有可能提高阴离子的碱性. Fagnou 等[4]在研究Pd催化偶联反应中提出的.协同的“金属化/去质子化”(concerted metalation/deprotonation, 简称“CMD”)来解释碱的作用: 碱与金属中心Pd 配位, 使碱的去质子化能力提高, 从而可活化C—H 键.
催化剂金属中心和碱的匹配才能产生协同作用, 从而有效促进催化过程. 2014 年Norrby 等报道了碱在Buchwald-Hartwig Amination 反应中的作用. 他们研究了t-BuO-和DBU 在不同溶剂中对反应过程的影响, 并通过Eq. 3 所示反应进一步验证了理论计算结果. 在非极性溶剂中, t-BuO-可以有效地拔除和钯配位的吗啉上胺氢, 进而进行有效的C-N 偶联. 而中性碱DBU 效果不好, 需要在高温和微波下才能促进反应进行. 在极性溶剂中, 尽管计算表明相对非极性溶剂中DBU 参与的反应能垒变小了, 但是和t-BuO-相比效果仍然较差.阳离子在过渡金属催化的反应所起到的作用同样不可忽视. 在偶联反应中, 转金属化的速率与碱中的阳离子种类有很大关系[6]. 阳离子的大小、软硬度以及Lewis 酸性等[6]都有可能对反应结果造成影响. 阳离子也有可能影响反应活性中间体的结构及稳定性. Shibasaki等[8]在2009 年报道了不对称催化合成手性有机硼酯的反应, 叔丁醇锂、钠、钾都能促进这一反应的进行,但反应的收率和ee 值对应的碱都是t-BuOLi>t-BuONa>t-BuOK, 表明锂离子对该反应的特殊效应. 2010 年,Hayashi 等也提及t-BuOM (M=Li, Na, K)中阳离子会影响反应途径, t-BuO-是一个单电子供体, 配对阳离子如是Na 和K 离子时, 反应会涉及单电子转移(singleelectron transfer, 简称SET)过程.
总之, 碱在催化反应中的作用极其复杂, 在催化循环中的任何一步都有可能对反应结果造成影响, 碱的不同甚至会影响基元反应的本质, 这主要体现在碱对催化剂、配体以及底物和基元反应的影响都不可忽视, 从而使其效应更加复杂. 但碱在许多催化反应中的核心功能会逐渐更加清晰. 席振峰教授课题组通过对文献的分析, 提出了碱对反应影响的诸多因素, 使化学家对碱在催化过程中的复杂性有了新的认识, 这是一个极其重要的科学问题, 有待于化学家进行更加系统全面的研究.。
