雙金屬催化劑體系催化過氧化氫分解反應(yīng)

張 俊,李云平,王保玉

(洛陽師范學(xué)院化學(xué)化工系,河南洛陽 471022）

雙金屬催化劑體系催化過氧化氫分解反應(yīng)

張 俊,李云平,王保玉

(洛陽師范學(xué)院化學(xué)化工系,河南洛陽 471022）

研究了雙金屬催化劑體系催化過氧化氫分解反應(yīng),測量了不同催化劑體系的活化能.結(jié)果表明,雙金屬催化劑對過氧化氫分解反應(yīng)具有良好的催化性能,且雙金屬催化劑存在協(xié)同催化作用;而酸性環(huán)境對過氧化氫催化分解有明顯的抑制作用.

雙金屬催化劑;過氧化氫;分解反應(yīng)

Abstract:The decomposition reaction of hydrogen peroxide catalyzed by dual-metal catalyst systems was investigated,and the activation energy for various catalyst systems was measured.Results show that dual-metal catalysts have good catalytic performance for the decomposition reaction of hydrogen peroxide,and there exists synergistic catalytic function for the dual-metal catalyst systems.However,acidic environment significantly retarded the catalyzed decomposition of hydrogen peroxide.

Keywords:dual-metal catalyst;hydrogen peroxide;decomposition reaction

作為一種“綠色”試劑,H2O2廣泛用于化工、紡織、造紙、軍工、電子、航天、醫(yī)藥、食品、建筑及環(huán)境保護(hù)等行業(yè),可扮演氧化劑、漂白劑、消毒劑、脫氧劑、聚合物引發(fā)劑和齊聯(lián)劑等角色,同時過氧化氫能加速人體的衰老過程,縮短人的壽命,具有致癌危險性等.純凈的過氧化氫是比較穩(wěn)定的,在30℃時,純的 H2O2一年的分解率僅為1%.催化分解過氧化氫的研究對于進(jìn)一步研究消除生物體代謝過程中的伴生物HO-,延緩衰老、防止癌變及其他疾病具有重要作用[1].目前,對 H2O2催化分解的研究主要集中在新型催化劑的開發(fā)上[2].

雙金屬催化劑是過去幾十年來催化領(lǐng)域的研究熱點之一,第二種金屬(即使本身無活性)的加入能夠改變反應(yīng)的活性和選擇性,特別是能夠改善催化劑的穩(wěn)定性,它在許多催化反應(yīng)中表現(xiàn)出不同尋常的活性,通過兩種金屬的協(xié)同作用,可以取得單金屬所沒有的高活性和高選擇性[3].由于雙金屬催化劑存在著各種各樣的組合,加入的第二種金屬可以是貴金屬或輕過渡金屬,所以雙金屬催化劑具有很大的開發(fā)潛力[4-5].本文作者以雙金屬催化劑來催化分解 H2O2,以研究其動力學(xué)性質(zhì),既具有一定的理論意義,又具有一定的應(yīng)用價值.

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

501超級恒溫槽,上海市實驗儀器廠;恒溫恒壓量氣裝置,自制;H2O2,質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%,分析純;其余試劑均為市售分析純試劑.

1.2 實驗原理

過氧化氫的分解反應(yīng)式為:H2O2→H2O+1/2O2,為一級反應(yīng),實驗采用量氣法測量 t時刻的Vt,以ln(V∞-Vt)/V∞對t作圖得一直線,斜率的數(shù)值即為速率常數(shù) k.

1.3 實驗步驟

1.3.1 雙金屬催化劑的配制

稱取0.02 mol FeCl3,0.002 mol CuCl2,加蒸餾水定容至100 mL,得到雙金屬催化劑 FeCl3-CuCl2;n(Fe)∶n(Cu)=10∶1.其他雙金屬催化劑體系用相同方法配制.

稱取0.02 mol FeCl3,0.002 mol CuCl2,4 mol/L HCl溶液10 mL,加蒸餾水定容至100 mL,得到雙金屬催化劑FeCl3-CuCl2-HCl.

1.3.2 活化能的測定

依次調(diào)節(jié)恒溫槽溫度為25℃,30℃,35℃,40℃,45℃.測量不同溫度下的過氧化氫分解反應(yīng)的速率常數(shù)k,根據(jù)阿倫尼烏斯公式:lnk= -Ea/RT+B,求出反應(yīng)的活化能.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同催化劑體系對過氧化氫分解反應(yīng)的影響

由表1可見:30℃時,用FeCl3和CuCl2作為催化劑催化分解過氧化氫,兩種催化劑都催化過氧化氫的分解(Run 1,2);但與Run 3,4比較發(fā)現(xiàn),雙金屬催化劑比單金屬催化劑有著更好的催化性能,其速率常數(shù)大于兩種單金屬催化劑速率常數(shù)的加和,可見通過兩種金屬的協(xié)同作用,可以取得單金屬催化劑所沒有的高活性,能顯著加速過氧化氫的分解.比較Run 3,4還可以發(fā)現(xiàn),對于第二金屬組分,起催化作用的主要為金屬離子,陰離子(Cl-,SO2-4)對反應(yīng)沒有明顯的影響.

表1 不同催化劑體系對過氧化氫分解反應(yīng)的影響Table 1 Effect of different catalyst systems on decomposition reaction of hydrogen peroxide

2.2 第二金屬組分對過氧化氫分解反應(yīng)的影響

如表2所示:在催化過氧化氫分解過程中,雙金屬協(xié)同催化作用是一種普遍存在的現(xiàn)象.不僅Cu2+,其他主族金屬離子如 K+,Ca2+,過渡金屬離子如Mn2+,Ni2+,Zn2+,都能顯著加速過氧化氫的分解.

表2 第二金屬組分對過氧化氫分解反應(yīng)的影響Table 2 Effect of the second metal on decomposition reaction of hydrogen peroxide

2.3 酸性環(huán)境對過氧化氫分解反應(yīng)的影響

如表3所示:酸性環(huán)境對催化過氧化氫分解有明顯的抑制作用,無論是單金屬體系(Run 1、2),還是雙金屬體系(Run 3、4),這種抑制作用都非常明顯.

表3 酸性環(huán)境對過氧化氫分解反應(yīng)的影響Table 3 Effect of sour environment on decomposition reaction of hydrogen peroxide

2.4 不同催化劑體系催化過氧化氫分解反應(yīng)的活化能

分別在 25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃,測量并計算 CuCl2、FeCl3、FeCl3-HCl、FeCl3-CuCl2、FeCl3-CuCl2-HCl五種催化劑體系的速率常數(shù),以lnk對1/T作圖,由阿倫尼烏斯經(jīng)驗公式得圖1.由圖1可以看到,在25℃到45℃的溫度范圍內(nèi),催化劑的活性隨溫度的升高而增加,五種催化劑體系的速率常數(shù)都很好的符合阿倫尼烏斯經(jīng)驗公式.

由圖1計算出五種催化劑體系的活化能.如表4所示,在催化劑的催化作用下,過氧化氫分解反應(yīng)的活化能都有明顯降低.

圖1 不同催化劑體系催化過氧化氫分解的阿倫尼烏斯曲線Fig.1 Arrhenius’s curve of different catalyst systems

表4 不同催化劑體系的活化能Table 4 Activation energy of different catalyst systems

3 小結(jié)

雙金屬催化劑比單金屬催化劑有著更好的催化性能,其速率常數(shù)大于兩種單金屬催化劑速率常數(shù)的加和.不論主族金屬離子,還是過渡金屬離子在催化過氧化氫分解過程中,都體現(xiàn)出明顯的雙金屬協(xié)同催化作用.無論是單金屬體系,還是雙金屬體系,酸性環(huán)境對催化過氧化氫分解都有明顯的抑制作用.在25℃到45℃的溫度范圍內(nèi),催化劑的活性隨溫度的升高而增加,五種催化劑體系的速率常數(shù)都很好地符合阿倫尼烏斯經(jīng)驗公式.

[1]張麗霞,龐承新,譚延光.影響過氧化氫催化分解速率的因素[J].廣西師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,(4):52-56.

[2]姜成春,龐素艷,江進(jìn),等.Fe(Ⅲ)催化過氧化氫分解影響因素分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2007(7):1197-1202.

[3]WANGJian Wei,CAO Guo Ya,HU Xia Qi.The study of hydrogenations of olefins catalyzed by polymer-supported palladium-lanthanoid bimetallic catalysts[J].Chin J Catal,2002,23(4):349-351.

[4]ZHANG Qiang,QIN Yi,CHANGLun.Synergic effect of palladium-based bimetallic catalysts for the hydrogenation of nitroaromatics[J].Apply Catal,1991,70:1-8.

[5]吳洪達(dá),黃映恒.過氧化氫的分解反應(yīng)[J].河池師專學(xué)報:自然科學(xué)版,2002(2):27-30.

Decomposition reaction of hydrogen peroxide catalyzed by dual-metal catalyst systems

ZHANGJun,LI Yun-ping,WANGBao-yu

(Department of Chemistry and Chemical Engineering,L uoyang Teachers College,L uoyang471022,Henan,China)

O 643.13

A

1008-1011(2011)01-0058-03

2010-09-28.

張 俊(1977-),男,副教授,博士.研究方向:工業(yè)催化.E-mail:zhjosso@sina.com.