高效芳香硝基化合物選擇性加氫催化劑的研究

陳秀彬，汪顏開(kāi)，邢志康，汪學(xué)廣

(上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444)

芳香胺是重要的有機(jī)中間體和基礎(chǔ)的化工原料，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、聚氨酯以及日用化工等相關(guān)領(lǐng)域，市場(chǎng)需求量巨大[1-3]。近年來(lái)隨著MDI生產(chǎn)的快速發(fā)展，苯胺作為制備DMI(4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯)的原料，應(yīng)用前景十分廣闊[4]。因此，綠色、高效、低耗的工業(yè)化生產(chǎn)芳香胺具有巨大的市場(chǎng)潛力與競(jìng)爭(zhēng)力。芳硝基化合物還原制備芳香胺的方法主要有：金屬還原法、硫化堿還原法、CO還原法、光催化還原法、電化學(xué)還原法和催化加氫法。催化加氫法因具有環(huán)境友好、產(chǎn)生三廢少、產(chǎn)品易分離等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色化學(xué)的要求，成為芳香硝基化合物還原生成芳香胺反應(yīng)研究的重點(diǎn)[5-6]。目前常用于催化加氫還原法制備芳香胺的催化劑有Pt，Pd，Ru，Au，Ni及其他非金屬催化劑等[7]。為滿足日益增長(zhǎng)的芳香胺需求，開(kāi)發(fā)高分散性、高催化效率和高選擇性的催化劑用于芳香硝基化合物選擇性加氫還原具有重要意義。本文以氮摻雜碳包覆二氧化硅為載體(SiO2-CN)，通過(guò)浸漬法制備了負(fù)載型Pt/SiO2-CN催化劑，該催化劑對(duì)芳香硝基化合物選擇性還原表現(xiàn)出了優(yōu)異的催化性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

葡萄糖(分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；尿素(分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水乙醇(分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；二氧化硅(工業(yè)級(jí))，上海緣江化工有限公司；自制去離子水；其余試劑均為市售分析純。

1.2 催化劑的制備

將1g SiO2，0.3 g葡萄糖，0.6 g尿素，置于燒杯中，加入30 mL去離子水，于40 ℃水浴條件下攪拌蒸干，得到的固體在N2氛圍管式爐中800 ℃焙燒，保溫2 h，載體記為SiO2-CN。載體上浸漬一定劑量的氯鉑酸溶液，隨后在管式爐中以200 ℃的H2/N2混合氣中還原3 h，最終制得Pt/SiO2-CN催化劑。為了進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，同時(shí)制備了Pt/SiO2和未經(jīng)氮摻雜的Pt/SiO2-C催化劑，以上催化劑的Pt負(fù)載量均為1 %。

1.3 催化劑的表征

催化劑的XRD分析在布魯克AXS公司的D8 ADVANCE X射線衍射儀上進(jìn)行，掃描范圍：2θ從10°到90°，掃描速度：10 °∕min，采用Cu Kα (λ = 0.15418 nm) 射線，管流為40 mA，管壓為40 kV。催化劑的比表面積、孔容和孔徑分布是在液氮溫度下Micromeritics ASAP 2020上測(cè)定的，催化劑在測(cè)試前均于200 ℃脫氣預(yù)處理5 h。催化劑的形貌及Pt顆粒分布由日本電子公司的JEM-2010F型透射電子顯微鏡進(jìn)行測(cè)試。

1.4 催化劑的活性評(píng)價(jià)

將一定量的鄰氯硝基苯和催化劑、乙醇加入到反應(yīng)釜中，混合均勻，放入磁力轉(zhuǎn)子，密封反應(yīng)釜，用N2和H2置換反應(yīng)釜中的空氣，加熱反應(yīng)釜到目標(biāo)溫度，通入H2達(dá)到反應(yīng)壓力，開(kāi)始計(jì)時(shí)反應(yīng)。

反應(yīng)產(chǎn)物采用Varian氣相色譜 (GC-3800) 進(jìn)行分析，分析參數(shù)為：氫火焰檢測(cè)器 (FID)，CP-Sil5CB毛細(xì)管柱，柱溫150℃，柱壓為16.5 Psi，檢測(cè)器和汽化室溫度均為290 ℃。對(duì)其它類(lèi)硝基氫化產(chǎn)物的分析依據(jù)產(chǎn)物的物理化學(xué)性質(zhì)做出相應(yīng)的調(diào)整。

2 結(jié)果與討論

圖1是SiO2、SiO2-C和SiO2-CN三種不同載體負(fù)載1 wt% Pt后的XRD圖，從樣品的XRD圖譜中可以看出，Pt/SiO2、Pt/SiO2-C和Pt/SiO2-CN三種不同的催化劑均在2θ=21.9°出現(xiàn)一個(gè)衍射峰，這可對(duì)應(yīng)于無(wú)定形二氧化硅結(jié)構(gòu)，而且對(duì)SiO2載體進(jìn)行改性并負(fù)載金屬活性中心后均保留著SiO2的衍射峰。不同的是SiO2載體直接負(fù)載Pt后在2θ值為39.8°和46.2°處有明顯的Pt的特征衍射峰，對(duì)應(yīng)JCPDS卡片No.04-0802，說(shuō)明Pt/SiO2催化劑中的Pt顆粒較大且分散不均勻；當(dāng)在SiO2載體上引入碳元素后在2θ值為39.8°處仍有Pt的衍射峰，峰強(qiáng)較弱，表明Pt/SiO2-C催化劑相較于Pt/SiO2催化劑的Pt顆粒有所變小且分布更均勻；對(duì)SiO2載體的碳層進(jìn)行氮摻雜后負(fù)載Pt，Pt/SiO2-CN催化劑上未檢測(cè)到Pt物種的衍射峰，表明樣品上Pt均以較小的顆粒尺寸均勻分散在催化劑表面。

圖1 不同催化劑的XRD圖

如表1所示為不同催化劑經(jīng)N2吸脫附實(shí)驗(yàn)測(cè)得的比表面積、孔容和平均孔徑結(jié)果。Pt/SiO2、Pt/SiO2-C和Pt/SiO2-CN三種不同的催化劑比表面積和孔容依次增大，平均孔徑逐漸減小。通過(guò)氮摻雜碳包覆SiO2可以改變催化劑的結(jié)構(gòu)，增加比表面積和孔容，減小平均孔徑。

表1 不同催化劑的結(jié)構(gòu)參數(shù)

為了研究不同載體對(duì)Pt顆粒大小的影響，使用高分辨透射電子顯微鏡對(duì)Pt/SiO2、Pt/SiO2-C和Pt/SiO2-CN進(jìn)行了表征。圖2 a所示為Pt/SiO2的TEM圖，從圖中明顯可以看出，SiO2載體上的Pt顆粒聚集嚴(yán)重，顆粒較大。結(jié)合N2吸脫附實(shí)驗(yàn)分析，這可能是由于SiO2比表面積小、孔徑分布不均使得Pt與SiO2載體相互較弱，從而導(dǎo)致Pt顆粒在SiO2表面聚集長(zhǎng)大。圖2 b是Pt/SiO2-C的高分辨TEM圖。

圖2 不同催化劑的TEM圖：(a) Pt/SiO2,(b) Pt/SiO2-C,(c) 和 (d) Pt/SiO2-CN

由圖可知，SiO2-C載體上的Pt顆粒出現(xiàn)了部分聚集，Pt顆粒的分散程度相較于SiO2載體上的Pt已經(jīng)有了大幅度提高，但是其Pt顆粒仍然較大。碳的引入改善了SiO2載體結(jié)構(gòu)，有利于Pt顆粒的分散，有效抑制Pt顆粒的進(jìn)一步長(zhǎng)大。圖2c所示為Pt/SiO2-CN的TEM圖，從圖中并未發(fā)現(xiàn)明顯的Pt納米顆粒，這表明Pt顆?？赡茌^小。當(dāng)繼續(xù)增加放大倍數(shù)，從HAADF-STEM圖 (如圖2 d所示) 中，我們可以看到有細(xì)小的Pt顆粒均勻的分散在SiO2-CN載體上，幾乎沒(méi)有看到Pt顆粒聚集的現(xiàn)象，這可能是氮摻雜的碳層與SiO2協(xié)同作用的結(jié)果[8]，Pt/SiO2-CN催化劑的Pt顆粒大小約為1.4 nm。我們可以推斷，N的摻雜有助于Pt顆粒在載體上的分散，同時(shí)起到將Pt納米顆粒錨定在SiO2-CN載體上進(jìn)而抑制Pt顆粒長(zhǎng)大的作用[9-10]。

表2列出了不同催化劑對(duì)鄰氯硝基苯選擇性加氫反應(yīng)的結(jié)果。反應(yīng)條件：催化劑10 mg，鄰氯硝基苯10 mmol，溫度70 ℃，H2壓力2 MPa，乙醇10 mL，時(shí)間0.5 h。SiO2載體上直接制備的Pt/SiO2催化劑的轉(zhuǎn)化率低，選擇性差；在SiO2包覆碳制備的Pt/SiO2-C催化劑反應(yīng)活性有所增加，轉(zhuǎn)化率達(dá)到66.7%；氮摻雜碳包覆SiO2所制備的Pt/SiO2-CN催化劑表現(xiàn)出了最優(yōu)的催化性能，轉(zhuǎn)化率為98.1%，選擇性為99.3%。

表2 不同催化劑催化加氫鄰氯硝基苯的反應(yīng)結(jié)果

表3所示為Pt/SiO2-CN催化劑將多種不同芳香硝基化合物還原為相應(yīng)的芳香胺的結(jié)果。反應(yīng)條件：催化劑5 mg，反應(yīng)物5 mmol，溶劑乙醇10 mL，反應(yīng)溫度70 ℃，H2壓力2 MPa。Pt/SiO2-CN催化劑對(duì)于含有鹵素 (F，Cl，Br) 的芳香硝基化合物的還原，沒(méi)有發(fā)生脫鹵現(xiàn)象，即便是在苯環(huán)上含有多個(gè)或多種鹵素的芳香硝基化合物中也未產(chǎn)生脫鹵現(xiàn)象，催化劑對(duì)產(chǎn)物的選擇性>99%。含有-CH3、-OH、-OCH3，-NH2官能團(tuán)的芳香硝基化合物完全轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的胺類(lèi)，選擇性99%以上，沒(méi)有其他的副產(chǎn)物產(chǎn)生。對(duì)于對(duì)含有氮元素雜環(huán)的芳香硝基化合物的還原，目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性也能達(dá)到99%以上。綜上可知，在適宜的反應(yīng)條件下，Pt/SiO2-CN催化劑對(duì)各種芳硝基化合物表現(xiàn)出了優(yōu)良的反應(yīng)活性和選擇性。

表3 Pt/SiO2-CN催化不同芳硝基化合物加氫結(jié)果

為了研究Pt/SiO2-CN催化劑的循環(huán)使用性能，我們以鄰氯硝基苯選擇性加氫反應(yīng)為反應(yīng)模型來(lái)考察催化劑的循環(huán)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)條件：催化劑10 mg，反應(yīng)物15 mmol，溶劑乙醇15 mL，反應(yīng)溫度70 °C，H2壓力2 MPa。每次反結(jié)束應(yīng)后，立即將反應(yīng)后的催化劑，用乙醇洗滌過(guò)濾，將得到的催化劑放入100 °C的烘箱中干燥，之后將干燥后得到的催化劑，在相同反應(yīng)條件下進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)，如此操作循環(huán)使用7次，結(jié)果如圖3所示。在7次循環(huán)后，催化劑基本保持了第一次反應(yīng)的性能，其反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為84%，目標(biāo)產(chǎn)物選擇性始終保持在99%以上，這說(shuō)明Pt/SiO2-CN催化劑具有很好的穩(wěn)定性。

圖3 Pt/SiO2-CN催化劑還原鄰氯硝基苯的循環(huán)反應(yīng)結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)氮摻雜碳包覆SiO2可以有效改善載體性質(zhì)，N摻雜有助于Pt在載體上的分散，同時(shí)起到抑制Pt顆粒聚集長(zhǎng)大的作用。SiO2-CN復(fù)合載體上負(fù)載的Pt納米顆粒細(xì)小而均勻，Pt顆粒大小約為1.4 nm。Pt/SiO2-CN催化劑對(duì)含有多種官能團(tuán)的芳香硝基化合物表現(xiàn)出了優(yōu)異的反應(yīng)活性和選擇性，循環(huán)利用實(shí)驗(yàn)表明該催化劑具有良好的穩(wěn)定性。