水滑石基磁性Co/Al2O3催化剂在乙酰丙酸加氢制备γ-戊内酯反应中的应用

doi:10.1016/S1872-2067(15)60934-2

催化学报 ›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (9): 1512-1518.DOI: 10.1016/S1872-2067(15)60934-2

水滑石基磁性Co/Al₂O₃催化剂在乙酰丙酸加氢制备γ-戊内酯反应中的应用

龙向东, 孙鹏, 李泽龙, 郎睿, 夏春谷, 李福伟

中国科学院兰州化学物理研究所羰基合成与选择氧化国家重点实验室, 甘肃兰州730000

收稿日期:2015-03-31 修回日期:2015-06-05 出版日期:2015-08-28 发布日期:2015-09-26
通讯作者: 李福伟, 电话/传真: (0931)4968528; 电子信箱: fuweili@licp.cas.cn
基金资助:
国家自然科学基金(21133011, 21373246); 中科院"百人计划"和中科院兰州化学物理研究所一三五重点培育项目.

Magnetic Co/Al₂O₃ catalyst derived from hydrotalcite for hydrogenation of levulinic acid to γ-valerolactone

Xiangdong Long, Peng Sun, Zelong Li, Rui Lang, Chungu Xia, Fuwei Li

State Key Laboratory for Oxo Synthesis and Selective Oxidation, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China

Received:2015-03-31 Revised:2015-06-05 Online:2015-08-28 Published:2015-09-26
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21133011, 21373246), Hundred-Talent Programme of the Chinese Academy of Sciences, and Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences.

摘要/Abstract

摘要：

γ-戊内酯广泛应用于食品添加剂、燃料添加剂、溶剂、汽油、柴油以及多种化工中间体的合成, 由于其上游原料乙酰丙酸是重要的生物质基平台化合物已实现了工业化生产, 因此发展其高效、可循环使用的催化合成新体系是近年来生物质催化转化的研究热点之一. 目前使用的多相催化剂体系主要是浸渍法制备的负载型金属纳米颗粒催化剂, 活性金属主要有Ru, Pd, Pt, Au, Cu, Ni等. 由于乙酰丙酸制备γ-戊内酯反应是一个酸性的含水体系, 在高温、高压条件下, 使用浸渍法得到的催化剂特别是非贵金属催化剂容易发生活性金属的聚集、流失, 从而使得催化剂重复使用的效果不佳.
从非贵金属替代贵金属和提高催化剂稳定性这两点入手, 本论文以水滑石为合成催化剂的单一前驱体, 将非贵金属(Cu, Ni, Fe, Co)掺入到水滑石的结构骨架中, 通过直接氢气焙烧还原制得了高负载量的负载型金属纳米颗粒多相催化剂. 将制得的催化剂应用于乙酰丙酸加氢反应, 其催化活性顺序为: Co>Ni>Cu>Fe. 制备出了5种不同Co/Al比的Co基催化剂, 其中4Co/Al₂O₃催化剂在H₂ (5 MPa)、180℃条件下, 显示出了类似贵金属钌催化剂的活性和选择性, 乙酰丙酸在3 h内完全转化, γ-戊内酯的选择性高达99%.
为了进一步了解催化剂的结构与其活性和稳定性之间的关系, 我们采用X射线粉末衍射仪(XRD), 氢气程序升温还原(H₂-TPR), X射线光电子能谱(XPS), 透射电子显微镜(TEM)等表征手段研究了催化剂的形貌和结构. TEM结果表明, 以水滑石为前驱体制备的Co催化剂中负载的Co纳米颗粒的平均粒径在25-30 nm, 而用浸渍法制备的相同负载量的Co催化剂的Co纳米颗粒粒径大于150 nm. 相应的催化反应结果表明, 前者的催化活性要远好于后者. 水滑石前驱体的H₂-TPR实验结果表明, 随着Co/Al比增加, 其还原峰向低温方向位移. 这是由于Al含量的减少, 导致金属Co离子周围键合的Al离子数量减少, 从而使得Co与Al之间的作用力减弱, Co更加容易被还原. 表现在还原温度上, 即为还原温度降低, 说明了Co纳米颗粒与载体之间具有一种强相互作用. 结合TEM测试结果, 正是这种强相互作用限制了Co纳米颗粒的长大, 使其要远小于用浸渍法制得的Co纳米颗粒. HRTEM测试结果显示在4Co/Al₂O₃催化剂结构中, Co金属纳米颗粒与载体Al₂O₃之间存在一种核壳结构的关系, Co纳米颗粒被包埋于载体Al₂O₃中形成核壳结构. 这种结构同样也保证了活性金属与载体之间较强的相互作用, 有效地避免Co纳米颗粒在强水热、酸性条件下的聚集和流失, 从而使该催化剂在循环使用四次时仍能保持优异的活性和选择性. 我们进一步研究了该核壳结构形成的原因. 发现催化剂在制备过程中如果先用空气高温焙烧, 再用氢气还原, 得到的催化剂中则没有明显的核壳结构, 且Co纳米颗粒粒径在55 nm左右. 相应的催化反应结果也要差于直接氢气焙烧还原得到的4Co/Al₂O₃催化剂. 这也从侧面说明了以水滑石为前驱体制备负载型金属纳米颗粒催化剂时, 其原位的限制效应在控制金属纳米颗粒的大小、稳定性方面的优越性. 此外, 由于该Co催化剂具有磁性特征, 很容易通过磁性回收实现催化剂与反应液的分离, 大大简化了催化剂的回收及产物分离过程.

关键词: 生物质转化, 乙酰丙酸, γ-戊内酯, 稳定碱金属催化剂, 核壳结构, 钴

Abstract:

The efficient hydrogenation of levulinic acid (LA) to γ-valerolactone (GVL) over a hydrotalcite-derived non-precious metal Co/Al₂O₃ catalyst was achieved. Its core-shell structure and a strong interaction between Co and Al species stabilized the Co particles against leaching and sintering. This magnetic non-precious metal catalyst showed a comparable catalytic performance to a commercial Ru/C for the liquid hydrogenation of LA. It was easily separated from the reaction medium with an external magnet. The catalyst exhibited excellent recyclability, complete LA conversion and >99% GVL selectivity, and would be useful in a large scale biorefinery.

Key words: Biomass conversion, Levulinic acid, γ-Valerolactone, Stable base metal catalyst, Core-shell structure, Cobalt

龙向东, 孙鹏, 李泽龙, 郎睿, 夏春谷, 李福伟. 水滑石基磁性Co/Al₂O₃催化剂在乙酰丙酸加氢制备γ-戊内酯反应中的应用[J]. 催化学报, 2015, 36(9): 1512-1518.

Xiangdong Long, Peng Sun, Zelong Li, Rui Lang, Chungu Xia, Fuwei Li. Magnetic Co/Al₂O₃ catalyst derived from hydrotalcite for hydrogenation of levulinic acid to γ-valerolactone[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2015, 36(9): 1512-1518.

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水滑石基磁性Co/Al₂O₃催化剂在乙酰丙酸加氢制备γ-戊内酯反应中的应用

Magnetic Co/Al₂O₃ catalyst derived from hydrotalcite for hydrogenation of levulinic acid to γ-valerolactone

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