氮掺杂碳包覆纳米钴颗粒用于硝基芳烃室温选择性加氢

高睿杰 潘伦 李正稳 张香文 王莅 邹吉军

引用本文: 高睿杰,  潘伦,  李正稳,  张香文,  王莅,  邹吉军. 氮掺杂碳包覆纳米钴颗粒用于硝基芳烃室温选择性加氢[J]. 催化学报, 2018, 39(4): 664-672. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62988-7 shu
Citation:  Ruijie Gao,  Lun Pan,  Zhengwen Li,  Xiangwen Zhang,  Li Wang,  Ji-Jun Zou. Cobalt nanoparticles encapsulated in nitrogen-doped carbon for room-temperature selective hydrogenation of nitroarenes[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(4): 664-672. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62988-7 shu

氮掺杂碳包覆纳米钴颗粒用于硝基芳烃室温选择性加氢

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(U1462119);天津市自然科学基金(16JCQNJC05200).

摘要: 通过硝基芳烃选择性加氢能高效地制备芳香胺和环胺,其中芳香胺作为重要的化工中间体应用于多个领域(精细化工、商业产品和聚合物).在加氢反应过程中,硝基的还原伴随着生成一些副产物(如亚硝基和偶氮化合物).同时对于含还原性基团的取代硝基苯,硝基的选择还原也面临着很大的挑战.金属钴是常用的硝基加氢催化剂活性成分,但是由于对反应底物的过度吸附,导致其选择性不高.早期研究发现,氮掺杂碳催化剂能有效吸附硝基基团,从而在硝基苯加氢中表现出一定活性,但对分子氢的活化不足.因此,氮掺杂碳作为吸附材料与钴构建复合催化剂,能够发挥吸附和活化氢的协同作用,从而高效催化硝基苯加氢.
基于此,本课题组发展了一种制备方法,可将钴颗粒尺寸限制在10nm左右,且包覆在氮掺杂碳中,并应用于对硝基苯酚的室温选择性加氢反应中,发现相较于碳负载钴和氮掺杂碳催化剂,所制催化剂在室温下表现出了很好的活性和选择性.在此基础上,本文采用元素分析、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)等手段对催化剂形貌和结构进行了研究.
表征结果表明,保持钴前驱体的量不变,随着氮化碳加入量的增加,催化剂中氮掺杂浓度提高;当氮化碳/钴>1时,氮掺杂浓度不变.红外结果表明,与普通碳载体相比,氮掺杂碳对硝基苯有很强的吸附作用,而氮掺杂碳包覆的钴催化剂也表现出同样的结果.通过调节氮的掺杂浓度,一方面可以修饰碳载体的电子结构,增加表面缺陷的浓度,提高与反应底物的相互作用;另一方面可以促进电子由钴颗粒转移至与之相连的氮原子上,因此进一步促进钴颗粒对分子氢的活化作用.该复合结构的催化剂实现了底物吸附和氢活化的协同作用,氮掺杂碳将反应底物吸附在表面,钴颗粒活化氢,随后解离的氢原子与表面吸附物反应,从而实现硝基苯的高效加氢.其中Co@NC-1催化活性最高,并在循环套用10次后,仍维持较高的催化活性,同时对含其它取代基的硝基苯均表现很高的活性和选择性.

English

    1. [1] Y. G. Su, J. Y. Lang, L. P. Li, K. Guan, C. F. Du, L. M. Peng, D. Han, X. J. Wang, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 11433-11436.

    2. [2] D. Gärtner, A. Welther, B. R. Rad, R. Wolf, A. J. Wangelin, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 3722-3726.

    3. [3] T. E. Müller, K. C. Hultzsch, M. Yus, F. Foubelo, M. Tada, Chem. Rev., 2008, 108, 3795-3892.

    4. [4] J. F. Hartwig, Nature, 2008, 455, 314-322.

    5. [5] F. Cárdenas-Lizana, S. Gómez-Quero, A. Hugon, L. Delannoy, C. Louis, M. A. Keane, J. Catal., 2009, 262, 235-243.

    6. [6] C. Kartusch, M. Makosch, J. Sá, K. Hungerbuehler, J. A. van Bokhoven, ChemCatChem, 2012, 4, 236-242.

    7. [7] H. S. Wei, X. Y. Liu, A. Q. Wang, L. L. Zhang, B. T. Qiao, X. T. Yang, Y. Q. Huang, S. Miao, J. Y. Liu, T. Zhang, Nat. Commun., 2014, 5, 5634.

    8. [8] S. Zhang, C. R. Chang, Z. Q. Huang, J. Li, Z. M. Wu, Y. Y. Ma, Z. Y. Zhang, Y. Wang, Y. Q. Qu, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 2629-2637.

    9. [9] G. X. Chen, C. F. Xu, X. Q. Huang, J. Y. Ye, L. Gu, G. Li, Z. C. Tang, B. H. Wu, H. Y. Yang, Z. P. Zhao, Z. Zhou, G. Fu, N. F. Zheng, Nat. Mater., 2016, 15, 546-569.

    10. [10] C. W. A. Chan, A. H. Mahadi, M. M. J. Li, E. C. Corbos, C. Tang, G. Jones, W. C. H. Kuo, J. Cookson, C. M. Brown, P. T. Bishop, S. C. E. Tsang, Nat. Commun., 2014, 5, 5787.

    11. [11] A. S. Crampton, M. D. Rötzer, C. J. Ridge, F. F. Schweinberger, U. Heiz, B. Yoon, U. Landman, Nat. Commun., 2016, 7, 10389.

    12. [12] G. Kennedy, G. Melaet, H. L. Han, W. T. Ralston, G. A. Somorjai, ACS Catal., 2016, 6, 7140-7147.

    13. [13] S. Iqbal, S. A. Kondrat, D. R. Jones, D. Schoenmakers, J. K. Edwards, L. Lu, B. R. Yeo, P. P. Wells, E. K. Gibson, D. J. Morgan, C. J. Kiely, G. J. Hutchings, ACS Catal., 2015, 5, 5047-5059.

    14. [14] F. A. Westerhaus, R. V. Jagadeesh, G. P. Wienhöfer, M. M. Pohl, J. Radnik, A. E. Surkus, J. Rabeah, K. Junge, H. Junge, M. Nielsen, A. Brückner, M. Beller, Nat. Chem., 2013, 5, 537-543.

    15. [15] R. V. Jagadeesh, A. E. Surkus, H. Junge, M. M. Pohl, J. Radnik, J. Rabeah, H. Huan, V. Schünemann, A. Brückner, M. Beller, Science, 2013, 342, 1073-1076.

    16. [16] J. J Song, Z. F. Huang, L. Pan, J. J. Zou, X. W. Zhang, L. Wang, ACS Catal., 2015, 5, 6594-6599.

    17. [17] H. L. Niu, J. H. Lu, J. J. Song, L. Pan, X. W. Zhang, L. Wang, J. J. Zou, Ind. Eng. Chem. Res., 2016, 55, 8527-8533.

    18. [18] J. H. Lu, J. J. Song, H. L. Niu, L. Pan, X. W. Zhang, L. Wang, J. J. Zou, Appl. Surf. Sci., 2016, 371, 61-66.

    19. [19] Y. C. Zhang, L. Pan, J. H. Lu, J. J. Song, Z. Li, X. W. Zhang, L. Wang, J. J. Zou, Appl. Surf. Sci., 2017, 401, 241-247.

    20. [20] Z. Z. Wei, J. Wang, S. J. Mao, D. F. Su, H. Y. Jin, Y. H. Wang, F. Xu, H. R. Li, Y. Wang, ACS Catal., 2015, 5, 4783-4789.

    21. [21] H. Fan, X. Huang, L. Shang, Y. T. Cao, Y. F. Zhao, L. Z. Wu, C. H. Tung, Y. D. Yin, T. R. Zhang, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 2167-2170.

    22. [22] L. Shang, Y. H. Liang, M. Z. Li, G. I. N. Waterhouse, P. Tang, D. Ma, L. Z. Wu, C. H. Tung, T. R. Zhang, Adv. Func. Mater., 2017, 27, 1606215.

    23. [23] Y. M. Lin, S. C. Wu, W. Shi, B. S. Zhang, J. Wang, Y. A. Kin, M. Endo, D. S. Su, Chem. Commun., 2015, 51, 13086-13089.

    24. [24] S. C. Wu, G. D. Wen, J. Wang, J. F. Rong, B. N. Zong, R. Schlögl, D. S. Su, Catal. Sci. Technol., 2014, 4, 4183-4187.

    25. [25] Y. J. Gao, D, Ma, C. L. Wang, J. Guan, X. H. Bao, Chem. Commun., 2011, 47, 2432-2434.

    26. [26] L. P. Zhang, J. B. Niu, L. M. Dai, Z. H. Xia, Langmuir, 2012, 28, 7542-7550.

    27. [27] M. M. Trandafir, M. Florea, F. Neatu, A. Primo, V. I. Parvulescu, H. García, ChemSusChem, 2016, 9, 1565-1569.

    28. [28] R. J. Gao, L. Pan, J. H. Lu, J. S. Xu, X. W. Zhang, L. Wang, J. J. Zou, ChemCatChem, 2017, 9, 4287-4294.

    29. [29] B. V. Jagadeesh, H. Junge, M. M. Pohl, J. Radnik, A. Brückner, M. Beller, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 10776-10782.

    30. [30] H. Su, K. X. Zhang, B. Zhang, H. H. Wang, Q. Y. Yu, X. H. Li, M. Anto-niett, J. S. Chen, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 811-818.

    31. [31] Y. J. Gao, D. Ma, G. Hu, P. Zhai, X. H. Bao, B. Zhu, B. S. Zhang, D. S. Su, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 10236-10240.

    32. [32] R. Liu, S. M. Mahurin, C. Li, R. R. Unocic, J. C. Idrobo, H. J. Gao, S. J. Pennycook, S. Dai, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 6799-6802.

    33. [33] X. F. Yu, L. B. Mao, J. Ge, Z. L. Yu, J. W. Liu, S. H. Yu, Sci. Bull., 2016, 61, 700-705.

    34. [34] M. Latorre-Sánchez, A. Primo, H. García, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 11813-11816.

    35. [35] C. Tang, H. F. Wang, X. Chen, B. Q. Li, T. Z. Hou, B. S. Zhang, Q. Zhang, M. M. Titirici, F. Wei, Adv. Mater., 2016, 28, 6845-6851.

    36. [36] Y. J. Gao, G. Hu, J. Zhong, Z. J. Shi, Y. S. Zhu, D. S. Su, J. G. Wang, X. H. Bao, D. Ma, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 2109-2113.

    37. [37] X. K. Kong, Z. Y. Sun, M. Chen, C. L. Chen, Q. W. Chen, Energy Envi-ron. Sci., 2013, 6, 3260-3266.

    38. [38] Y. Y. Cai, X. H. Li, Y. N. Zhang, X. Wei, K. X. Wang, J. S. Chen, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 11822-11825.

    39. [39] L. H. Gong, Y. Y. Cai, X. H. Li, Y. N. Zhang, J. Su, J. S. Chen, Green Chem., 2014, 16, 3736-3751.

    40. [40] X. H. Li, M. Antonietti, Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 6593-6604.

    41. [41] Y. Z. Chen, C. M. Wang, Z. Y. Wu, Y. J. Xiong, Q. Xu, S. H. Yu, H. L. Jiang, Adv. Mater., 2015, 27, 5010-5016.

    42. [42] G. Kennedy, L. R. Baker, G. A. Sormorjai, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 3405-3408.

    43. [43] H. J. Yu, L. Shang, T. Bian, R. Shi, G. I. N. Waterhouse, Y. F. Zhao, C. Zhou, L. Z. Wu, C. H. Tung, T. R. Zhang, Adv. Mater., 2016, 28, 5080-5086.

    44. [44] R. N. Butler, A. G. Coyne, Chem. Rev., 2010, 110, 6302-6337.

    45. [45] S. Zhang, C. R. Chang, Z. Q. Huang, J. Li, Z. M. Wu, Y. Y. Ma, Z. Y. Zhang, Y. Wang, Y. Q. Qu, J. Am. Soc. Chem., 2016, 138, 2629-2637.

    46. [46] P. Maity, S. Basu, S. Bhaduri, G. K. Lahiri, Adv. Synth. Catal., 2007, 349, 1955-1962.

    47. [47] X. C. Meng, H. Y. Cheng, S. Fujita, Y. C. Yu, F. Y. Zhao, M. Arai, Green Chem., 2011, 13, 570-572.

    48. [48] E. A. Gelder, S. D. Jackson, C. M. Lok, Catal. Lett., 2002, 84, 205-208.

    49. [49] Z. Z. Wei, J. Wang, S. J. Mao, D. F. Su, H. Y. Jin, Y. H. Wang, F. Xu, H. R. Li, Y. Wang, ACS Catal., 2015, 5, 4783-4789.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  7
  • 文章访问数:  1266
  • HTML全文浏览量:  163
文章相关
  • 收稿日期:  2017-11-29
  • 修回日期:  2017-12-22
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章