苯部分加氢制环己烯新型Ru-B/MOF催化剂

doi:10.3866/PKU.WHXB201403212

物理化学学报 >> 2014, Vol. 30 >> Issue (5): 932-942.doi: 10.3866/PKU.WHXB201403212

苯部分加氢制环己烯新型Ru-B/MOF催化剂

谭晓荷¹, 周功兵¹, 窦镕飞¹, 裴燕¹, 范康年¹, 乔明华¹, 孙斌², 宗保宁²

1 上海市分子催化和功能材料重点实验室, 复旦大学化学系, 上海200433;
2 催化材料与反应工程国家重点实验室, 中国石化石油化工科学研究院, 北京100083

收稿日期:2014-01-24 修回日期:2014-03-21 发布日期:2014-04-25
通讯作者: 乔明华 E-mail:mhqiao@fudan.edu.cn
基金资助:
国家重点基础研究发展规划项目（973）（2012CB224804），国家自然科学基金（21373055），上海市科委科技基金（08DZ2270500），北京高能所同步辐射实验室开放课题及中石化技术开发课题（S411063）资助

Partial Hydrogenation of Benzene to Cyclohexene over Novel Ru-B/MOF Catalysts

TAN Xiao-He¹, ZHOU Gong-Bing¹, DOU Rong-Fei¹, PEI Yan¹, FAN Kang-Nian¹, QIAO Ming-Hua¹, SUN Bin², ZONG Bao-Ning²

1 Shanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative Materials, Department of Chemistry, Fudan University, Shanghai 200433, P. R. China;
2 State Key Laboratory of Catalytic Materials and Reaction Engineering, Research Institute of Petroleum Processing, China Petroleum & Chemical Corporation, Beijing 100083, P. R. China

Received:2014-01-24 Revised:2014-03-21 Published:2014-04-25
Contact: QIAO Ming-Hua E-mail:mhqiao@fudan.edu.cn
Supported by:
The project was supported by the National Key Basic Research Program of China (973) (2012CB224804), National Natural Science Foundation of China (21373055), Science and Technology Commission of Shanghai Municipality, China (08DZ2270500), Beijing Synchrotron Radiation Facility, China and the China Petroleum & Chemical Corporation (S411063).

摘要/Abstract

摘要：

制备了多种金属-有机骨架（MOF）材料，采用浸渍-化学还原法制备了非晶态Ru-B/MOF催化剂，考察了它们在苯部分加氢反应中的催化性能. 催化性能评价结果表明，这些催化剂的初始反应速率（r₀）顺序为Ru-B/MIL-53（Al）>Ru-B/MIL-53（Al）-NH₂>Ru-B/UIO-66（Zr）>Ru-B/UIO-66（Zr）-NH₂>Ru-B/MIL-53（Cr）>Ru-B/MIL-101（Cr）>>Ru-B/MIL-100（Fe），环己烯初始选择性（S₀）顺序为Ru-B/MIL-53（Al）≈Ru-B/MIL-53（Cr）>Ru-B/UIO-66（Zr）-NH₂>Ru-B/MIL-101（Cr）>Ru-B/MIL-53（Al）-NH₂>Ru-B/UIO-66（Zr）≈Ru-B/MIL-100（Fe）. 催化性能最好的Ru-B/MIL-53（Al）催化剂上的r₀和S₀分别为23 mmol·min^-1·g^-1和72%. 采用多种手段，对催化性能差异最为显著的Ru-B/MIL-53（Al）和Ru-B/MIL-100（Fe）催化剂的物理化学性质进行了表征. 发现MIL-53（Al）载体能够更好地分散Ru-B纳米粒子，粒子的平均尺寸为3.2 nm，而MIL-100（Fe）载体上Ru-B纳米粒子团聚严重，粒径达46.6 nm. 更小的粒径不仅能够提供更多的活性位，而且也有利于环己烯选择性的提高. 对Ru-B/MIL-53（Al）催化剂的反应条件进行了优化，在180 ℃和5 MPa的H₂压力下，环己烯得率可达24%，展示了MOF材料用作苯部分加氢催化剂载体的良好前景.

关键词: 金属有机骨架, 钌, 苯, 环己烯, 部分加氢

Abstract:

A series of metal-organic framework (MOF) materials were synthesized together with the corresponding amorphous Ru-B/MOF catalysts, which were prepared by the impregnation-chemical reduction method. These materials were subsequently evaluated for the first time as catalysts for the partial hydrogenation of benzene to cyclohexene. The results for the initial hydrogenation rate (r₀) for the different catalysts followed the trend Ru-B/MIL-53(Al)>Ru-B/MIL-53(Al)-NH₂>Ru-B/UIO-66(Zr)>Ru-B/UIO-66(Zr)-NH₂>Ru-B/MIL-53(Cr)> Ru-B/MIL-101(Cr)>>Ru-B/MIL-100(Fe), whereas the initial selectivity for cyclohexene (S₀) was of the order of Ru-B/MIL-53(Al)≈Ru-B/MIL-53(Cr)>Ru-B/UIO-66(Zr)-NH₂>Ru-B/MIL-101(Cr)>Ru-B/MIL-53(Al)-NH₂>Ru-B/UIO-66(Zr)≈Ru-B/MIL-100(Fe). The Ru-B/MIL-53(Al) catalyst exhibited the highest r₀ and S₀ values of 23 mmol·min^-1·^-1 and 72%, respectively. The characterization results demonstrated that the Ru-B amorphous alloy nanoparticles were highly dispersed on MIL-53(Al) with the average diameter of 3.2 nm. In contrast, the Ru-B nanoparticles on MIL-100(Fe) had an average diameter of 46.6 nm. The smaller Ru-B nanoparticles not only provided more active sites for the hydrogenation to occur, but could also be beneficial in the formation of cyclohexene. The reaction conditions were further optimized for the Ru-B/MIL-53(Al) catalyst. At 180 ℃ under a H₂ pressure of 5 MPa, a cyclohexene yield of 24% was obtained, highlighting the potential of MOF materials as catalyst supports for the partial hydrogenation of benzene.

Key words: Metal-organic framework, Ruthenium, Benzene, Cyclohexene, Partial hydrogenation

MSC2000:

O643

谭晓荷, 周功兵, 窦镕飞, 裴燕, 范康年, 乔明华, 孙斌, 宗保宁. 苯部分加氢制环己烯新型Ru-B/MOF催化剂[J]. 物理化学学报, 2014, 30(5): 932-942.

TAN Xiao-He, ZHOU Gong-Bing, DOU Rong-Fei, PEI Yan, FAN Kang-Nian, QIAO Ming-Hua, SUN Bin, ZONG Bao-Ning. Partial Hydrogenation of Benzene to Cyclohexene over Novel Ru-B/MOF Catalysts[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2014, 30(5): 932-942.

参考文献

(1) Rosi, N. L.; Eckert, J.; Eddaoudi, M.; Vodak, D. T.; Kim, J.; O′Keeffe, M.; Yaghi, O. M. Science 2003, 300, 1127. doi: 10.1126/science.1083440
(2) Zeng, Y. Y.; Zhang, B. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2008, 24, 1493. [曾余瑶, 张秉坚. 物理化学学报, 2008, 24, 1493.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20080828
(3) Li, J. R.; Kuppler, R. J.; Zhou, H. C. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1477. doi: 10.1039/b802426j
(4) Lee, J.; Farha, O. K.; Roberts, J.; Scheidt, K. A.; Nguyen, S. T.; Hupp, J. T. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1450. doi: 10.1039/b807080f
(5) Liang, Q.; Zhao, Z.; Liu, J.; Wei, Y. C.; Jiang, G. Y.; Duan, A. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 30, 129. [粱倩, 赵震, 刘坚, 韦岳山, 姜桂元, 段爱军. 物理化学学报, 2014, 30, 129.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201311201
(6) Zhou, Y. X.; Liang, S. G.; Song, J. L.; Wu, T. B.; Hu, S. Q.; Liu, H. Z.; Jiang, T.; Han, B. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26, 939. [周印羲, 粱曙光, 宋金良, 吴天斌, 胡素琴, 刘会贞, 姜涛, 韩布兴. 物理化学学报, 2010, 26, 939.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20100406
(7) Liu, Y.; Mo, K.; Cui, Y. Inorg. Chem. 2013, 52, 10286. doi: 10.1021/ic400598x
(8) Gu, X.; Lu, Z. H.; Jiang, H. L.; Akita, T.; Xu, Q. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 11822. doi: 10.1021/ja200122f
(9) Uemura, T.; Kitaura, R.; Ohta, Y.; Nagaoka, M.; Kitagawa, S. Angew. Chem. Int. Edit. 2006, 45, 4112.
(10) Jiang, H. L.; Akita, T.; Ishida, T.; Haruta, M.; Xu, Q. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 1304. doi: 10.1021/ja1099006
(11) Proch, S.; Herrmannsdorfer, J.; Kempe, R.; Kern, C.; Jess, A.; Seyfarth, L.; Senker, J. Chem. -Eur. J. 2008, 14, 8204. doi: 10.1002/chem.v14:27
(12) Schröder, F.; Esken, D.; Cokoja, M.; van den Berg, M.W. E.; Lebedev, O. I.; Van Tendeloo, G.; Walaszek, B.; Buntkowsky, G.; Limbach, H. H.; Chaudret, B.; Fischer, R. A. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 6119. doi: 10.1021/ja078231u
(13) Wu, T. B.; Zhang, P.; Ma, J.; Fan, H. L.; Wang, W. T.; Jiang, T.; Han, B. X. Chin. J. Catal. 2013, 34, 167. doi: 10.1016/S1872-2067(11)60475-0
(14) Wang, W. T.; Liu, H. Z.; Ding, G. D.; Zhang, P.; Wu, T. B.; Jiang, T.; Han, B. X. ChemCatChem 2012, 4, 1836. doi: 10.1002/cctc.v4.11
(15) Odenbrand, C. U. I.; Andersson, S. L. T. J. Chem. Technol. Biotechnol. 1982, 32, 365.
(16) Wang, J. Q.; Wang, Y. Z.; Xie, S. H.; Qiao, M. H.; Li, H. X.; Fan, K. N. Appl. Catal. A 2004, 272, 29. doi: 10.1016/j.apcata.2004.04.038
(17) Sun, H. J.; Jiang, H. B.; Li, S. H.; Wang, H. X.; Pan, Y. J.; Dong, Y. Y.; Liu, S. C.; Liu, Z. Y. Chin. J. Catal. 2013, 34, 684. doi: 10.1016/S1872-2067(11)60489-0
(18) Liu, J. L.; Zhu, Y.; Liu, J.; Pei, Y.; Li, Z. H.; Li, H.; Li, H. X.; Qiao, M. H.; Fan, K. N. J. Catal. 2009, 268, 100. doi: 10.1016/j.jcat.2009.09.007
(19) Nagahara, H.; Ono, M.; Konishi, M.; Fukuoka, Y. Appl. Surf. Sci. 1997, 121 -122, 448.
(20) Millange, F.; Serre, C.; Guillou, N.; Férey, G.; Walton, R. I. Angew. Chem. Int. Edit. 2008, 47, 4100.
(21) Serre, C.; Millange, F.; Thouvenot, C.; Noguès, M.; Marsolier, G.; Louër, D.; Férey, G. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 13519. doi: 10.1021/ja0276974
(22) Loiseau, T.; Serre, C.; Huguenard, C.; Fink, G.; Taulelle, F.; Henry, M.; Bataille, T.; Férey, G. Chem. -Eur. J. 2004, 10, 1373.
(23) Férey, G.; Millange, F.; Morcrette, M.; Serre, C.; Doublet, M. L.; Grenèche, J. M.; Tarascon, J. M. Angew. Chem. Int. Edit. 2007, 46, 3259.
(24) Cavka, J. H.; Jakobsen, S.; Olsbye, U.; Guillou, N.; Lamberti, C.; Bordiga, S.; Lillerud, K. P. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 13850. doi: 10.1021/ja8057953
(25) Trung, T. K.; Trens, P.; Tanchoux, N.; Bourrelly, S.; Llewellyn, P. L.; Loera-Serna, S.; Serre, C.; Loiseau, T.; Fajula, F.; Férey, G. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16926. doi: 10.1021/ja8039579
(26) Férey, G.; Mellot-Draznieks, C.; Serre, C.; Millange, F.; Dutour, J.; Surblé, S.; Margiolaki, I. Science 2005, 309, 2040. doi: 10.1126/science.1116275
(27) Yoon, J.W.; Seo, Y. K.; Hwang, Y. K.; Chang, J. S.; Leclerc, H.; Wuttke, S.; Bazin, P.; Vimont, A.; Daturi, M.; Bloch, E. Angew. Chem. Int. Edit. 2010, 49, 5949. doi: 10.1002/anie.201001230
(28) Valenzano, L.; Civalleri, B.; Chavan, S.; Bordiga, S.; Nilsen, M. H.; Jakobsen, S.; Lillerud, K. P.; Lamberti, C. Chem. Mater. 2011, 23, 1700. doi: 10.1021/cm1022882
(29) Ahnfeldt, T.; Gunzelmann, D.; Loiseau, T.; Hirsemann, D.; Senker, J.; Férey, G.; Stock, N. Inorg. Chem. 2009, 48, 3057. doi: 10.1021/ic8023265
(30) Vermoortele, F.; Ameloot, R.; Vimont, A.; Serre, C.; De Vos, D. Chem. Commun. 2011, 47, 1521. doi: 10.1039/c0cc03038d
(31) Karim, A. M.; Prasad, V.; Mpourmpakis, G.; Lonergan, W.W.; Frenkel, A. I.; Chen, J. G.; Vlachos, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 12230. doi: 10.1021/ja902587k
(32) Zhou, G. B.; Liu, J. L.; Tan, X. H.; Pei, Y.; Qiao, M. H.; Fan, K. N.; Zong, B. N. Ind. Eng. Chem. Res. 2012, 51, 12205.
(33) Lengeler, B.; Eisenberger, P. Phys. Rev. B 1980, 21, 4507. doi: 10.1103/PhysRevB.21.4507
(34) De Crescenzi, M.; Balsatori, A.; Comin, F.; Incoccia, L.; Mobilio, S.; Motta, N. Solid State Commun. 1981, 37, 921. doi: 10.1016/0038-1098(81)91187-X
(35) Ankudinov, A.; Ravel, B.; Rehr, J. J. FEFF8, Version 8.20; University ofWashington: Seattle, WA, 2002.
(36) Struijk, J.; Moene, R.; van der Kamp, T.; Scholten, J. J. F. Appl. Catal. A 1992, 89, 77. doi: 10.1016/0926-860X(92)80079-R
(37) Schwab, F.; Lucas, M.; Claus, P. Angew. Chem. Int. Edit. 2011, 50, 10453. doi: 10.1002/anie.201104959
(38) Liu, J. L.; Zhu, L. J.; Pei, Y.; Zhuang, J. H.; Li, H.; Li, H. X.; Qiao, M. H.; Fan, K. N. Appl. Catal. A 2009, 353, 282. doi: 10.1016/j.apcata.2008.10.056
(39) Zhao, Y. J.; Zhang, J. L.; Han, B. X.; Song, J. L.; Li, J. S.; Wang, Q. Angew. Chem. Int. Edit. 2011, 50, 636. doi: 10.1002/anie.v50.3
(40) Moulder, J. F.; Stickle, W. F.; Sobol, P. E.; Bomben, K. D. Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy; Chastain, J. Ed.; Perkin-Elmer: Eden Prairie, Minnesota, 1992; p 253.
(41) Campbell, P. S.; Santini, C. C.; Bayard, F.; Chauvin, Y.; Collière, V.; Podgoraek, A.; Costa Gomes, M. F.; Sá, J. J. Catal. 2010, 275, 99. doi: 10.1016/j.jcat.2010.07.018
(42) Xie, S. H.; Qiao, M. H.; Li, H. X.; Wang, W. J.; Deng, J. F. Appl. Catal. A 1999, 176, 129. doi: 10.1016/S0926-860X(98)00232-4
(43) Pei, Y.; Zhou, G. B.; Luan, N.; Zong, B. N.; Qiao, M. H.; Tao, F. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 8140. doi: 10.1039/c2cs35182j
(44) Pei, Y.; Guo, P. J.; Qiao, M. H.; Li, H. X.; Wei, S. Q.; He, H. Y.; Fan, K. N. J. Catal. 2007, 248, 303. doi: 10.1016/j.jcat.2007.03.024
(45) Wang, X. G.; Yan, W. S.; Zhong, W. J.; Zhang, X. Y.; Wei, S. Q. Chem. J. Chin. Univ. 2001, 22, 349. [王晓光, 闫文胜, 钟文杰, 张新夷, 韦世强. 高等学校化学学报, 2001, 22, 349.]
(46) Ronchin, L.; Toniolo, L. Catal. Today 1999, 48, 255. doi: 10.1016/S0920-5861(98)00380-0
(47) Hronec, M.; Cvengroaová, Z.; Králik, M.; Palma, G.; Corain, B. J. Mol. Catal. A 1996, 105, 25. doi: 10.1016/1381-1169(95)00184-0
(48) Mazzieri, V. A.; L′Argentiére, P. C.; Fígoli, N. S. React. Kinet. Catal. Lett. 2004, 81, 107. doi: 10.1023/B:REAC.0000016523.15129.90
(49) Silveira, E. T.; Umpierre, A. P.; Rossi, L. M.; Machado, G.; Morais, J.; Soares, G. V.; Baumvol, I. J. R.; Teixeira, S. R.; Fichtner, P. F. P.; Dupont, J. Chem. -Eur. J. 2004, 10, 3734.
(50) Struijk, J.; d′Angremond, M.; Lucas-de Regt, W. J. M.; Scholten, J. J. F. Appl. Catal. A 1992, 83, 263. doi: 10.1016/0926-860X(92)85039-E
(51) Ronchin, L.; Toniolo, L. Appl. Catal. A 2001, 208, 77. doi: 10.1016/S0926-860X(00)00690-6
(52) Fan, C.; Zhu, Y. A.; Zhou, X. G.; Liu, Z. P. Catal. Today 2011, 160, 234. doi: 10.1016/j.cattod.2010.03.075
(53) Liu, H. Z.; Liang, S. G.; Wang, W. T.; Jiang, T.; Han, B. X. J. Mol. Catal. A 2011, 341, 35. doi: 10.1016/j.molcata.2011.03.021

[1]	朱月路,赵鑫阳,吴谦,陈颖,赵劲. 多功能氧酰胺导向基在碳氢键活化反应中的研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 989 -1004 .
[2]	王庆兵,郭政伟,陈弓,何刚. 1, 1'-双(二苯基膦基)二茂铁介导的芳烃碳氢键芳基化反应制备联芳基骨架[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 1021 -1026 .
[3]	董玉杰,许晨东,王士昭,李维军,宋庆宝,张诚. 通过增强电荷转移激发态构建激发态下稳定的基于氰基二苯乙烯的E/Z构型[J]. 物理化学学报, 2019, 35(6): 637 -643 .
[4]	张书山,周剑章,吴德印,田中群. Ag纳米粒子修饰光纤探针在等离激元催化反应中的应用[J]. 物理化学学报, 2019, 35(3): 307 -316 .
[5]	杨晓兵,赵磊,隋旭磊,孟令辉,王振波. 基于磷钨酸功能化纳米纤维的超高质子/钒选择性的聚苯并咪唑膜在全钒液流电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2019, 35(12): 1372 -1381 .
[6]	程晓蒙,焦东霞,梁志豪,魏金金,李宏平,杨俊佼. 聚苯乙烯-聚4-乙烯基吡啶两亲嵌段共聚物在CO₂膨胀液体中的组装行为[J]. 物理化学学报, 2018, 34(8): 945 -951 .
[7]	祝敏,李漫波,姚传好,夏楠,赵燕,闫楠,廖玲文,伍志鲲. 三苯基膦：转换硫醇保护的纳米粒子成[Au₂₅(PPh₃)₁₀(SR)₅Cl₂]²⁺[J]. 物理化学学报, 2018, 34(7): 792 -798 .
[8]	余东海,荣春英,卢天,DEPROFT Frank.,刘述斌. 运用密度泛函活性理论的信息论方法研究苯并富烯衍生物的芳香性[J]. 物理化学学报, 2018, 34(6): 639 -649 .
[9]	林雪婷,付名利,贺辉,吴军良,陈礼敏,叶代启,胡芸,王逸凡,WENWilliam. 以金属有机骨架为牺牲模板制备MnO_x-CeO₂及其催化氧化[J]. 物理化学学报, 2018, 34(6): 719 -730 .
[10]	韩雪,杨进,刘莹莹,马建方. 三氮唑取代杯[4]芳烃配位聚合物的合成与荧光性能[J]. 物理化学学报, 2018, 34(5): 476 -482 .
[11]	柳平英,刘春艳,刘倩,马晶. 含偶氮苯主-客体复合物的光致异构化反应对结合能与几何构象的影响[J]. 物理化学学报, 2018, 34(10): 1171 -1178 .
[12]	刘甜,黎军,刘维佳,朱育丹,陆小华. 简单的配体改变调控钌配合物催化还原CO₂的活性：硼基配体的对位效应和Ru―H键的性质[J]. 物理化学学报, 2018, 34(10): 1097 -1105 .
[13]	钱慧慧,韩潇,肇研,苏玉芹. 柔性Pd@PANI/rGO纸阳极在甲醇燃料电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2017, 33(9): 1822 -1827 .
[14]	李重杲,卢天,高恒,张庆,李敏杰,任伟,陆文聪. 苯并噻二唑衍生物作为铆接基团提高染料敏化太阳能电池效率[J]. 物理化学学报, 2017, 33(9): 1789 -1795 .
[15]	胡凌霄,王莲,王飞,张长斌,贺泓. Pd/γ-Al₂O₃催化剂催化氧化邻-二甲苯[J]. 物理化学学报, 2017, 33(8): 1681 -1688 .

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