基于金属与酸性位平衡调控的M/Zeolite协同催化苯加氢烷基化研究
批准号:
21908203
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
彭智昆
依托单位:
学科分类:
反应工程
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
中文摘要
采用双功能催化剂将苯加氢烷基化反应协同耦合为一步是合成环己基苯(CHB)的理想途径,较苯与环己烯烷基化和联苯加氢路线,前者合成CHB将会在技术、环保、效率等方面显示出优良的应用前景。但是目前对苯加氢烷基化反应的催化剂结构与双功能活性位的协同机制尚未有系统的研究,限制了催化剂理性设计和工业化应用。本项目基于研究M/Zeolite催化剂中金属位和酸性位的平衡关系及协同作用机制,从双功能催化剂的控制构筑入手,设计合成一系列金属位和酸性位性质可调控的负载型M/Zeolite催化剂用于苯加氢烷基化反应研究。通过化学吸附和原位光谱等表征技术,研究金属与酸性位的匹配关系和CHB选择性与收率的内在关联。结合DFT计算,揭示其在不同功能区的协同反应机制,阐明催化剂结构与性能之间的构效关系,实现对两种活性位点的定向调控,为新一代苯加氢烷基化合成CHB催化剂开发提供理论基础和技术支撑。
英文摘要
The synergistic coupling of benzene hydrogenation and alkylation on bifunctional catalysts is an ideal way to synthesize cyclohexylbenzene (CHB). Compared with the alkylation of benzene with cyclohexene and biphenyl hydrogenation, the hydroalkylation of benzene shows larger application prospects in technology, environmental friendliness, and efficiency. Until now, the structure of catalysts and the synergistic mechanism of bifunctional sites for benzene hydroalkylation have not been systematically studied, which limits the rational design and industrial application of the catalysts. In order to identify the metal/acid balance and further understand the coupling reaction mechanism, a series of supported M/Zeolite catalysts were designed and synthesized for benzene hydroalkylation. Moreover, the ratio of metal/acid sites are carefully evaluated to reveal its critical role in the reaction. This project investigates the intrinsic correlation between the metal acidic balance and the selectivity as well as yield of CHB with chemisorption and in situ spectroscopy technology. With the power of DFT calculation, the study can also reveal the synergistic reaction mechanism in different functional regions, clarify the structure-activity relationship, and precisely control the formation of the two active sites and their synergy effects. The methodology of combining experimental evidence and computational simulation provides the theoretical basis and feasible experimental support for the development of catalyst formulation for hydroalkylation of benzene to CHB.
基于苯加氢烷基化(HDA)到环己基苯(CHB)这一高经济和社会价值的绿色反应过程,对金属-酸双功能活性位微区纳米尺度特征精确调控和协同作用机制研究具有重要的理论意义和应用价值。本项目围绕M/Zeolite催化剂中金属与酸性位结构的精确构筑与解析,对金属与酸性位在苯HDA场景下的平衡匹配关系进行研究。首先对催化剂中金属位与酸性位的摩尔量进行调变,随着金属/酸摩尔比的增加,CHB收率逐渐增加,当nA/nM为22.4 μmol H+/μmol Pd时,CHB的收率达到最大值32.8%;鉴于分子筛自身酸性受限于硅铝比的调控,载体表面金属位又很难与酸性位产生高效协同效应,通过在Pd/Hbeta周围构筑一层酸性Si-Al骨架(Pd@HBeta),显著增强了酸性位对金属位的匹配能力,CHB收率达到37.7%;苯经HDA过程到CHB属于经典的串联反应,苯部分加氢到环己烯,环己烯在酸性位点发生质子化到环己烷碳正离子,再与苯环发生亲电取代反应。环己烯的吸脱附及扩散行为是该反应网络的限速步骤,因此设计具有均一酸活性位点催化剂研究环己烯吸附活化行为及与苯烷基化反应路径对于研究该串联反应极为重要。本项目采用“瓶中造船法”制备了分子筛封装杂多酸(HPW@USY)催化剂,由于HPW的高分散及限域效应,环己烯转化率100%,CHB收率99.9%,并首次提出该反应在固体酸表面的反应路径,对研究苯HDA过程具有重要指导意义;基于以上研究确认环己烯的吸脱附及扩散行为是影响苯HDA反应网络的关键,本项目进一步采用低电负性助剂金属M调节Pd金属晶格应力及表面电子性质,提高了苯不对称吸附活化的比例,并减弱了环己烯在金属表面的吸附,使其更容易迁移到临近的酸性位点发生烷基化反应,同时提出了苯HDA全网络反应路径。通过本项目的研究,建立了苯HDA高效的催化反应体系,目前最新研究进展表明金属在分子筛骨架中的落位极大影响中间产物环己烯的反应行为,对CHB选择性具有重要影响。当生成的环己烯限域在分子筛骨架内时,可极大降低与邻近B酸质子化反应能垒,CHB收率首次突破50%,这为金属-酸双功能催化剂的理性设计提供了思路。
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Tuning the selectivity of benzene hydroalkylation over PdZn/HBeta catalysts: identification of lattice contraction and electronic properties
调整 PdZn/Hβ 催化剂上苯加氢烷基化的选择性:晶格收缩和电子特性的识别
DOI:
10.1039/d2cy01783k
发表时间:
--
期刊:
Catalysis Science Technology
影响因子:
--
作者:
[Jie Feng, Qiaoyun Liu, Haojie Li, Zhongxian Song, Lin Dong, Shufang Zhao, Young Dok Kim, Zhongyi Liu, Zhikun Peng]
通讯作者:
Zhikun Peng
Enhancing the matching of acid/metal balance by engineering an extra Si–Al framework outside the Pd/HBeta catalyst towards benzene hydroalkylation
通过在 Pd/Hβ 催化剂外部设计额外的 SiâAl 骨架来促进苯加氢烷基化,从而增强酸/金属平衡的匹配
DOI:
10.1039/c9cy02438g
发表时间:
2020-03
期刊:
Catalysis Science & Technology
影响因子:
--
作者:
[Zhuo-Qian Li, Xinxin Fu, Caiyan Gao, Jinyu Huang, Baojun Li, Yongpeng Yang, Jie Gao, Yonglong Shen, Zhikun Peng, Jing-He Yang, Zhongyi Liu]
通讯作者:
Zhongyi Liu
The Ga-promoted Ni/CeO2 catalysts for dry reforming of methane with high stability induced by the enhanced CO2 activation
Ga促进的Ni/CeO2催化剂用于甲烷干重整,通过增强CO2活化而具有高稳定性
DOI:
10.1016/j.mcat.2022.112577
发表时间:
2022-09
期刊:
Molecular Catalysis
影响因子:
4.6
作者:
[Yuanyuan Bai, Kaihang Sun, Jinwei Wu, Yizhuo Han, Shufang Zhao, Young Dok Kim, Yujia Liu, Jie Gao, Zhongyi Liu, Zhikun Peng]
通讯作者:
Zhikun Peng
Bimetallic Pd-M (M= Pt, Ni, Cu, Co) nanoparticles catalysts with strong electrostatic metal-support interaction for hydrogenation of toluene and benzene
具有强静电金属-载体相互作用的双金属 Pd-M(M= Pt、Ni、Cu、Co)纳米颗粒催化剂用于甲苯和苯的加氢
DOI:
10.1016/j.mcat.2020.110992
发表时间:
2020
期刊:
Molecular Catalysis
影响因子:
4.6
作者:
[Yang Jingyi, Fan Yanping, Li Zhong-Li, Peng Zhikun, Yang Jing-He, Liu Baozhong, Liu Zhongyi]
通讯作者:
Liu Zhongyi
Identification of Metal/Acid Matching Balance over Bifunctional Pd/Hβ toward Benzene Hydroalkylation
苯加氢烷基化双功能 Pd/Hβ 金属/酸匹配平衡的鉴定
DOI:
10.1021/acs.iecr.0c05438
发表时间:
2021-01
期刊:
Industrial & Engineering Chemistry Research
影响因子:
--
作者:
[Jinyu Huang, Zhuoqian Li, Jingyi Yang, Zhikun Peng, Qiaoyun Liu, Zhongyi Liu]
通讯作者:
Zhongyi Liu
共 14 条
金属-酸双功能活性位微区调控策略及加氢烷基化性能研究
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:54万元
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批准年份:2022
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负责人:彭智昆
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依托单位:
国内基金
海外基金