氧化铝及MXene(Ti3C2)负载钯催化剂的催化加氢性能研究

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随着化石燃料枯竭的问题日益突出,寻找高效且环境友好的资源来代替不可再生能源已成为迫在眉睫的任务。生物质能源由于具有分布广泛、可再生和环境友好等特点,受到研究者们的普遍重视。利用生物质为原料催化加氢制备液体燃料和精细化学品等在可再生能源领域中具有重要的应用前景。木质素作为生物质的主要成分之一,它们可被直接转化为期望的化工产品从而代替与现存化石相关的化学品。木质素分子结构复杂,木质素催化加氢通常以苯酚和香草醛模型分子为研究对象。然而,如何设计高效、绿色、廉价的催化加氢体系以及制备新型催化剂用于酚类化合物催化加氢依然存在挑战。本论文主要围绕以氧化铝和二维MXene(Ti3C2)为载体负载纳米钯催化剂用于苯酚选择性加氢制备环己酮和香草醛脱氧加氢制备4-甲基愈创木酚,其主要研究内容与结果如下:(1)苯酚加氢制备环己酮是一个重要的化工过程,我们以预制备的负载型Pd/γ-Al2O3为催化剂,苯酚催化加氢反应结束后环己酮的选择性在低压CO2(0.05-0.2 MPa)和水相构成的反应介质中增强至99%,且苯酚转化率和环己酮选择性在5次循环后依然都保持在98%以上。高压原位红外实验和理论计算的结果表明,环己酮与CO2之间存在的Lewis acid-Lewis base相互作用抑制了环己酮深度加氢为环己醇,从而增强环己酮的选择性。此外,低压CO2增强环己酮的选择性也可通过两种商业负载型钯(Pd/C和Pd/γ-Al2O3)催化剂实现。(2)MXene是一类新型二维材料,由于其独特的层状结构、优异的导电性和化学稳定性,已被广泛的应用于电化学、储能等领域。然而利用MXene载体负载金属纳米粒子用于多相催化至今鲜有报道。通过HF刻蚀Ti3AlC2制备MXene(Ti3C2)材料,再用氢氧化钠溶液和水合肼对Ti3C2预处理后负载钯纳米粒子分别得到Pd/Ti3C2-NaOH和Pd/Ti3C2-HM催化剂。在香草醛催化加氢反应测试中,催化剂Pd/Ti3C2-NaOH表现了优异的催化活性(底物转化率和4-甲基愈创木酚的选择性均在99%以上)。XPS和FTIR等数据表明其主要原因是氢氧化钠和水合肼预处理后,Ti3C2上的羟基(-OH)含量发生了显著变化,其能调节Pd粒子在Ti3C2上的粒径大小、金属分散度和催化加氢活性组分Pd0的含量,从而对催化剂的催化活性产生重要影响。本实验为MXene(Ti3C2)材料作载体负载金属纳米粒子催化剂并应用于催化加氢反应提供了参考。
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