有序介孔Ru-MgZr复合氧化物合成及催化亚油酸异构化性能

陈杰博 ,  谢伟杰 ,  王璐 ,  王祎铭 ,  雷玉凤 ,  魏雅丽

引用本文: 陈杰博, 谢伟杰, 王璐, 王祎铭, 雷玉凤, 魏雅丽. 有序介孔Ru-MgZr复合氧化物合成及催化亚油酸异构化性能[J]. 应用化学, 2018, 35(11): 1342-1350. doi: 10.11944/j.issn.1000-0518.2018.11.170412 shu
Citation:  CHEN Jiebo, XIE Weijie, WANG Lu, WANG Yiming, LEI Yufeng, WEI Yali. Synthesis of Ordered Mesoporous Ru-MgZr Composite Oxide Catalysts for Isomerization of Linoleic Acid[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2018, 35(11): 1342-1350. doi: 10.11944/j.issn.1000-0518.2018.11.170412 shu

有序介孔Ru-MgZr复合氧化物合成及催化亚油酸异构化性能

    通讯作者: 陈杰博, 实验师; Tel/Fax:0591-83768242;E-mail:jiebo-chen@fafu.edu.cn; 研究方向:农副产品高值化利用
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(81673542)、国家甘蔗工程技术研究中心开放课题(KJG16005E,PTJH1500113)项目资助

摘要: 筛选高效、高选择性多相催化剂异构化亚油酸是共轭亚油酸(CLA)研究的重点。本文采用溶剂挥发自组装改进的溶胶-凝胶法,合成有序介孔Ru掺杂的MgO-ZrO2固体碱催化剂。考察了催化剂中不同Mg物质的量对催化剂孔径、比表面积和表面碱性以及Ru等的结构和性能对催化性能的影响。对比了催化剂的形貌、表面碱性及Ru组分对催化性能的影响程度。结果表明,n(Zr):n(Mg)=3:1时,Ru掺杂的MgO-ZrO2固体碱催化剂具有高度有序的介孔结构和高的比表面积。而n(Zr):n(Mg)=1:1时,MgO-ZrO2固体碱催化剂合成CLA产率较高,反应时间4 h,产率达到85%,催化效率为0.099 g(CLA)·L-1(solvent)·min-1,并且催化产物主要为具有生物活性的3种共轭亚油酸异构体。催化剂的强碱性位点和晶格Ru是催化异构化反应的两个活性位点,强碱性位点是提高催化性能的关键。固体碱复合氧化物催化效率高、制备方法简单、反应产物生物活性高等优点,具有较好的应用前景。

English

  • 共轭亚油酸(CLAs)含有多种位置异构体和几何异构体,具有提高机体免疫能力、抗癌、抗粥状动脉硬化、改善骨组织代谢和风湿性关节炎等多种生物学活性[1]。共轭亚油酸的推荐食用量为≥3 g/天/人。人们主要从牛羊等反刍动物的肉和奶制品摄取CLAs,但这些制品中CLAs含量较低,即使是以肉奶制品为主食的西方国家,CLAs的人均摄入量仍低于推荐有效计量的1/3。通过人工的合成方法可获取更多的共轭亚油酸[2],满足人们日常的需求。目前,合成CLAs方法有生物合成法和化学异构化法,其中,多相催化异构化法的产物容易分离、催化剂可重复使用和环境污染小等特点备受关注。Bernas等[3-7]将Ru、Ni、Pt、Pd、Rh、Ir和Os分别负载于Al2O3、SiO2、SiO2、Al2O3、MCM-22、H-MCM-41和C等载体上制成多相催化剂用于合成CLAs,产率达到80%以上。然而,由于底物亚油酸的浓度低,催化剂的催化效率不高,多相催化剂的催化效率只有氢氧化钠等可溶性碱的1%,且产物的异构体组成较为复杂,除具有生物活性的(c9, t11-CLA)、(c10, t12-CLA)和(t9, t11-CLA)异构体外,还含有大量的无生物活性的异构体,甚至还有部分亚油酸加成为油酸和硬脂酸。因此,如何提高异构化的产物选择性,开发出高催化活性,高转化率,高稳定性的多相催化剂,成为共轭亚油酸合成研究的热点。

    有序介孔氧化物具有高的比表面积、规则有序的孔道结构和孔径可调等特点,可用于设计合成高比表面积的介孔氧化物作为合成CLAs的催化剂。一方面,这类催化剂利于活性组分的分散和催化剂与反应底物的接触,有助于提高催化剂的效率[8-9];另一方面,从亚油酸异构化反应的机理上看[2],底物亚油酸的C11亚甲基处于两个碳碳双键间,具有一定的酸性,在强碱的作用下,容易脱去质子生成碳负离子中间体,有利于C11亚甲基的脱氢,快速形成碳负离子,因此,将碱金属引入催化剂结构中,可提高催化剂的表面碱性,有助于提高催化剂的催化异构化效率。本文拟通过采用溶剂挥发自组装改进的溶胶-凝胶法设计合成具有序介孔结构的固体碱Ru-MgO-ZrO2复合氧化物,进一步考察催化剂的异构化反应的选择性和效率。

    X′Pert Pro型X射线粉末衍射(XRD,荷兰Panalytical公司);Tristar3000型全自动比表面和空隙分析仪(美国Micromeritics公司);Auto Chem 2920型化学分析仪(美国Micromeritics公司);G2 F20 S-TWIN型透射式电子显微镜(TEM,美国FEI Tecnai公司);Agilent 7890A型气相色谱仪(GC, 美国Agilent公司)。

    Zr(NO3)4(5H2O、Mg(NO3)2·4H2O、RuCl3·xH2O、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物(P123)均为分析纯试剂,购买于国药化学试剂集团;亚油酸(≥95%)、十一烷(≥98%)、三氟化硼甲醇配合物(≥50%~52%),购于阿拉丁化学试剂公司。

    称取1 g P123于烧杯中,加入20 mL无水乙醇,搅拌使其完全溶解后备用。取一定计量比的Zr(NO3)4·5H2O、Mg(NO3)2·4H2O于烧杯中加入上述配好的P123乙醇溶液,按照Zr4+与Mg2+的总摩尔数为10 mmol,Ru质量分数为0.15%,加入RuCl3乙醇溶液,30 ℃下搅拌5 h至形成透明溶液,所得溶胶在60 ℃下保持48 h至形成固体,500 ℃焙烧4 h,即得Ru-MgO-ZrO2催化剂,记为:Ru-OMZMr,其中,r值为n(Zr):n(Mg)的比值。按上述步骤,以不添加P123的复合氧化物命名为Ru-ZMr,r=n(Zr):n(Mg)。

    采用X射线粉末衍射(XRD)表征样品物相和结构性能,测试条件:以Co靶Kα射线(λ=0.1790 nm)为入射光源,40 kV的管电压,40 mA的工作电流,扫描范围2θ=10°~100°(扫描速度10°/min)。小角XRD是用来分析样品孔结构的对称性和有序性的,扫描范围2θ=0.5°~5°(扫描速度1°/min)。

    采用表面和空隙分析仪表征催化剂的比表面积、孔容量及其孔径分布大小,测试条件:测试前,样品在573 K下真空预处理, 在液N2环境下(-197 ℃)进行测试。采用BET(Brunauer-Emmett-Teller)法计算样品比表面积;采用BJH(Barrett-Joyner-Halenda)法计算脱附分支的孔径分布曲线,孔容量是根据吸附等温线中相对压力为0.98处的脱附支处理得到。

    采用化学分析仪表征催化剂的Ru比表面积和分散度,测试条件:称取约0.05 g的试样于U型石英样品管中,400 ℃, 用V(H2):V(He)=10:90的混合气体还原60 min,气流流速为30 mL/min, 然后在He气氛中降温至室温,待基线稳定后,吸附气体改为V(CO):V(He)=5:95的混合气,载气为高纯He,采用脉冲进样至峰面积相同。根据累积的气体吸附量按计量比n(CO):n(Ru)=1:1计算得到表面Ru原子数,表面Ru原子数乘以Ru原子的横截面积得Ru的表面积;表面Ru原子数除以催化剂中总Ru原子数得Ru的分散度。

    采用化学分析仪表征催化剂的表面碱性,测试条件:程序升温脱附(CO2-TPD),TCD为检测器。称取0.05 g样品于U型石英样品管中,He气氛中450 ℃(升温速率为10 ℃/min)处理30 min出去催化剂吸附的水,后降至50 ℃后气氛转为高纯CO2(气流流速为30 mL/min)吸附至饱和,He吹扫30 min出去物理吸附的CO2,待基线稳定后,以He为载气进行程序升温脱附,升温速率10 ℃/min,升温范围为100~900 ℃。

    采用化学分析仪进行H2程序升温还原(H2-TPR)测试,测试条件:TCD为检测器,根据实际测试的结果,称取0.05 g的催化剂于U型样品管中,试样于He气氛中450 ℃(升温速率为10 ℃/min)处理60 min后降至50 ℃,He吹扫30 min待基线稳定后,以V(H2):V(He)=10:90混合器为载气进行程序升温还原,升温速率10 ℃/min,从50~900 ℃进行TPR测定。

    采用TEM观察催化剂的形貌,测试条件:催化剂经玛瑙研钵研磨后置于无水乙醇中,超声分散30 min后,取少量的上层清液滴于镀碳膜铜网上,晾干后进行形貌观测,工作管电压为200 kV。

    称取上述合成的催化剂0.4 g,加入10 mL 0.1 mol/L的亚油酸溶液(溶剂为正十一烷,纯度98%)一次性加入到三颈烧瓶中,搅拌,通N2气10 min,加热至180 ℃后,停止通N2气,整个反应过程N2气保护。反应4 h后,停止加热,冷却至室温,离心分离催化剂,上层清液即为反应产物。

    甲酯化取反应产物,加入3 mL体积分数为13%三氟化硼甲醇溶液,通N2气5 min,加热煮沸10 min,停止加热,从冷凝管顶部加入3 mL异辛烷,冷却后,将溶液转移到60 mL梨形分液漏斗,加入20 mL的饱和氯化钠溶液,猛烈振摇15 s,静置后,取上层有机层,加入无水硫酸镁干燥,经0.32 μm滤膜过滤后直接进行GC分析。

    分析检测HP-88毛细管柱(100 m×0.25 mm×0.25 μm),进样量1 μL,分流比30:1,进样口温度260 ℃,He气流量:0.9 mL/min,柱温:150 ℃保持,0.5 min,以7 ℃/min升温到230 ℃,然后以10 ℃/min升温290 ℃,保持10 min。(c10, t12-CLA)、(t9, c11-CLA)和(t9, t11-CLA)用标准品进行比对,其它异构体共轭亚油酸根据文献[10]进行比对。

    2.1.1   X射线粉末衍射分析

    图 1为合成的不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr的催化剂的广角XRD谱图。所有的催化剂均在2θ=30.6°、35.4°、50.7°和60.7°处出现4个衍射峰,对应于四方氧化锆晶型的(111)、(200)、(220)和(311)晶面的特征衍射峰(JCPDS:14-0534),未检测到Mg组分的衍射峰,这可能是由于Mg高度分散于小氧化锆晶体中[11-12]。将氧化锆(111)晶面衍射峰区域放大(图 2)后可以看到,随着MgO摩尔分数的增加,(111)晶面衍射峰向高θ角度位移,这是由于MgO的掺入,使得ZrO2晶相发生扭曲,而Mg2+离子半径比Zr4+的离子半径小,导致Mg2+掺入后,引起晶格收缩,从而使得衍射峰向高角度位移,说明所合成的Ru-OMZMr催化剂均形成了连续均相的MgO-ZrO2固溶体。随着n(Zr):n(Mg)比值的增加,催化剂的衍射峰峰高逐渐提高,Ru-OMZM3的衍射峰最高,表明随着Zr摩尔分数的增加,复合氧化物的晶型结构趋于完整。但继续提高n(Zr):n(Mg),催化剂的XRD衍射峰高却降低,这主要是由于Mg2+有利于四方氧化锆晶型的稳定性,Mg摩尔分数的减少,造成四方氧化锆结晶度下降[13-14]。同时,Ru-OMZMr催化剂也未见Ru的衍射峰,主要是由于Ru摩尔分数较低且高度分散于固溶体中[8]。

    图 1

    图 1.  不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr催化剂广角XRD谱图
    Figure 1.  Wide-angle XRD patterns of Ru-OMZMr catalysts with different n(Zr):n(Mg)

    a.Ru-OMZM1; b.Ru-OMZM2; c.Ru-OMZM3; d.Ru-OMZM4

    图 2

    图 2.  Ru-OMZMr催化剂广角XRD谱图的扩大图
    Figure 2.  Magnification XRD patterns of the Ru-OMZMr catalysts

    a.Ru-OMZM1; b.Ru-OMZM2; c.Ru-OMZM3; d.Ru-OMZM4

    2.1.2   小角X射线粉末衍射分析

    图 3为不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr固溶体的小角XRD谱图。从图 3中可以看到,所合成的固溶体在2θ=1.5°处均有一个衍射峰,表明合成的Ru-OMZMr复合氧化物有均一有序的结构,但是n(Zr):n(Mg)对Ru-OMZM固溶体的结构有较大的影响,n(Zr):n(Mg)比值从1增加到4,小角衍射峰逐渐减弱和变宽,并且衍射峰逐渐向高角度区移动,表明Mg摩尔分数增加对Ru-OMZMr固溶体有序介孔结构的形成和样品晶面间距产生了影响[15]。Yuan等[16]和Tian课题组[11-12]认为盐对溶胶-凝胶过程有重要的影响,硝酸镁的加入,影响了硝酸锆的水解/浓缩过程,过量的镁盐破坏了溶胶-凝胶过程中有序结构的形成,因此,当n(Zr):n(Mg)比值为1时,样品固溶体的介孔有序性减弱。

    图 3

    图 3.  不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr催化剂小角XRD谱图
    Figure 3.  Small-angle XRD patterns of Ru-OMZMr catalysts with different n(Zr):n(Mg)

    a.Ru-OMZM1; b.Ru-OMZM2; c.Ru-OMZM3; d.Ru-OMZM4

    2.1.3   透射电子显微镜分析

    图 4是不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr催化剂的透射电子显微镜照片。从图 4可以清晰看到,n(Zr):n(Mg)≥2时,固溶体形成了大面积的长程有序的介孔结构,特别是图 4C和图 4D中可以清晰看到六方的孔道和长程的有序介孔结构,而当n(Zr):n(Mg)比值为1时(图 4A),只存在蠕虫状的介孔结构,这与小角XRD的表征结果是一致的,表明n(Zr):n(Mg)的比值≥2时,利用溶剂挥发诱导自主装法合成出了具有长程有序介孔结构的Ru-OMZMr固溶体。另外,图中未见Ru粒子存在,表明Ru高度分散于固溶体中,这与广角XRD的表征相一致。从图 4C的扩大图可以看到,有序介孔Ru-OMZMr固溶体的孔径为3~4 nm。

    图 4

    图 4.  不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr催化剂的TEM照片
    Figure 4.  TEM image of Ru-OMZMr catalysts with different n(Zr):n(Mg)

    A.Ru-OMZM1; B.Ru-OMZM2; C.Ru-OMZM3; D.Ru-OMZM4

    2.1.4   N2-物理吸脱附

    图 5为所合成的Ru-OMZMr催化剂的N2吸附-脱附曲线和孔径分布图。从图 5中可以看出,所有合成催化剂的吸附-脱附曲线均为Ⅳ型,这些是介孔材料典型的特征,说明合成的样品具有介孔结构且孔道分布均匀[17]。此外,样品的孔径分布图表明,孔分布相对较窄且孔径集中分布于3~5 nm。上述结果表明,所合成的样品为结构均一的介孔材料。表 1列出了Ru-OMZMr固溶体的织构数据。表 1及辅助材料图S1对比表明,通过溶剂挥发诱导自主装法,能显著地提高催化剂的比表面积。从表 1中可以看出,随着Mg摩尔分数的减少,样品的比表面积和孔容量不断增加,平均孔直径也逐渐减少,但是,当Mg摩尔分数低于25%时,比表面积却降低。这是可能是由于样品介孔结构由于ZrO2摩尔分数的增加而遭到部分的破坏。当n(Zr):n(Mg)比值为3时,Ru-OMZM3样品的比表面积最大,达到178 m2/g。综上表征表明,利用溶剂挥发诱导自主装法能有效合成具有长程有序介孔结构的Ru-OMZMr固溶体,Mg摩尔分数对有序介孔结构产生较大的影响,当n(Zr):n(Mg)比值为3时,其有序性较高,比表面积最大。

    图 5

    图 5.  Ru-OMZMr催化剂的N2等温吸附/脱附曲线(A)和孔径分布(B)图
    Figure 5.  Nitrogen adsorption-desorption isotherms(A) and pore-size distribution(B) curves of Ru-OMZMr catalysts with different n(Zr):n(Mg)

    a.Ru-OMZM1; b.Ru-OMZM2; c.Ru-OMZM3; d.Ru-OMZM4

    表 1

    表 1  Ru-OMZMr催化剂的组织参数
    Table 1.  The textural properties of the Ru-OMZMr catalysts
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    SBET/(m2·g-1) Vp/(cm3·g-1) DBJH/nm
    Ru-OMZM1 38 0.06 4.1
    Ru-OMZM2 64 0.11 4.0
    Ru-OMZM3 178 0.18 3.4
    Ru-OMZM4 151 0.16 3.1

    图 6为合成的Ru-OMZMr和Ru-ZMr催化剂催化亚油酸制备共轭亚油酸的产率。从图 6中可以看到,与Ru-ZMr催化剂对比,Ru-OMZMr催化剂具有较高的共轭亚油酸的产率,这主要是由于有序介孔材料规整的孔结构和大的比表面积,使得催化剂更多的活性位点暴露出来与底物进行反应,Ru-OMZM1共轭亚油酸产率达到85%。但是,随着n(Zr):n(Mg)比值的增加,催化剂的转化率从85%逐渐下降到30%。将催化剂的催化效率与文献报道的催化剂催化效率做对比列于表 2中。从表 2中可以看到,Ru-OMZM1具有良好的CLAs生产效率,共轭亚油酸的产率达到了0.099 g(CLA)·L-1(solvent)·min-1,Ru-OMZM1催化剂Ru位点的CLAs产率达到了37.2 g(CLA)·g-1(Ru)·h-1,转化频率达到了35.8 mol(LA converted)·mol-1(Ru)·h-1,其催化效率高于文献报道的异相催化剂,表明所合成的Ru-OMZM1对亚油酸的催化异构化反应具有较好的活性。未掺杂Ru的OMZM1催化剂几乎无催化异构化活性(表 2, Entry 9),表明Ru是异构化反应的主要的活性位点之一。催化剂的组成和结构分析表明,随着n(Zr):n(Mg)比值的增加,催化剂结构的有序性增加,比表面积也逐渐增加,结合催化剂的活性结果表明,比表面积的增加趋势与催化效率的提高趋势不完全相同,因此,Ru-OMZMr催化剂的表面积不是异构化效率的关键决定因素。结合图 6和表 2的结果发现,催化剂的CLAs转化率与催化剂的Mg/Zr物质的量比相关联,催化剂的Mg摩尔分数越高,CLAs的转化率越高,这一结果表明催化剂活性可能与其表面碱性有关。

    图 6

    图 6.  不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr催化剂的共轭亚油酸转化率
    Figure 6.  The conjugated linoleic acid yield of Ru-OMZMr with different n(Zr):n(Mg)

    表 2

    表 2  本文合成催化剂的共轭亚油酸产率与文献报道的对比
    Table 2.  Comparison of different catalysts described in the literature for the production of CLA
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    Entry Substrate Catalyst Solvent Temperature/℃ RA YCLAa/% Pb Rc TOFd Ref.
    1 methyl linoleate KOH ethylene glycol 180 N2 97 0.63 - - [2]
    2 methyl linoleate Ru/C n-decane 250 N2 31 0.019 13.6 5.3 [2]
    3 linoleic acid Ru/C n-decane 165 N2 58 0.90 23 17.2 [2]
    4 linoleic acid Ru/Al2O3 n-decane 165 N2 30 0.0048 0.83 0.85 [2]
    5 linoleic acid Ru/H-Y n-decane 120 N2 24 0.002 0.8 0.4 [2]
    6 linoleic acid Ag/SiO2 n-decane 165 H2 67 0.021 1.5 0.7 [2]
    7 linoleic acid Au/C n-decane 150 H2 4 0.0005 0.2 0.1 [2]
    8 linoleic acid Ru-OMZM1 n-decane 180 N2 85 0.099 37.2 35.8 this work
    9 linoleic acid OMZM1 n-decane 180 N2 0 0 0 0 this work
    a.Yield of CLA; b.CLA productivity[g(CLA)·L-1(solvent)·min-1]; c.CLA production rate[g(CLA)·g-1(Ru)·h-1]; d.Turnover frequency[mol(LA converted)·mol-1(Ru)·h-1].

    图 7为不同n(Zr):n(Mg)催化剂的CO2-TPD结果。从图 7中可以看到,4种催化剂均含有3种脱附峰:α峰(0~150 ℃),β峰(200~300 ℃),γ峰(550~800 ℃),分别归属于弱碱性位(OH-),中等强度碱性位(Mg2+-O2-)和强碱性位点(O2-)。α峰和β峰归属于ZrO2的CO2脱附峰,可认为是ZrO2表面的脱附峰,而γ峰可能归属于MgZrO3表面强碱性位点的CO2脱附峰[18-19]。从图 7中可以看到,随着n(Zr):n(Mg)比值的减小,α峰和β峰逐渐减弱,而γ峰逐渐增大,并且γ峰向高温方向移动,这主要是由于Zr摩尔分数的减少,催化剂表面的弱碱性和中等强度碱性减少,α和β峰减小。由于氧化物的强碱性位点主要来自孤立的O2-离子,O2-离子的给电子能力越强,L碱的碱性越强[18]。XRD结果表明,随着n(Zr):n(Mg)比值的减小,Zr4+周围的O2-离子被Mg2+取代,Mg2+的电负性小于Zr4+,因此,MgZrO3表面的O2-离子的给电子能力增强,γ峰逐渐向高温方向移动。从图 7可以看到,随着Mg摩尔分数的增加,强碱性峰不断增强,其变化趋势与催化剂的催化效率变化趋势相似,表明随着催化剂Mg摩尔分数的提高,催化剂强碱性也相应的增加,催化剂的催化活性也随之提高,因此,催化剂的强碱性位点可能是异构化反应的主要活性位点。

    图 7

    图 7.  不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr催化剂的CO2-TPD谱图
    Figure 7.  CO2-TPD profiles of Ru-OMZMr with different n(Zr):n(Mg)

    a.Ru-OMZM1; b.Ru-OMZM2; c.Ru-OMZM3; d.Ru-OMZM4

    根据亚油酸异构化反应机理,其反应首先是在催化剂的作用下,亚油酸两个双键间的碳上的氢原子脱除,即催化剂应具有脱除β碳上的氢原子能力,也即催化剂被还原能力越强,催化效率也越高[3]。图 8为合成的Ru-OMZMr样品的H2-TPR谱图,谱图包含2种不同的峰,分别为100~200 ℃的α峰和600~800 ℃的β峰,分别归属于高度分散的结晶RuO2的还原峰和晶格中Ru的还原峰[20]。纯RuO2在78 ℃即被还原,而合成的样品,其RuO2的还原温度为170 ℃,这主要是由于RuO2与载体存在金属-载体强相互作用(SMSI),当H2还原RuO2时,RuO2将H转移到载体上,产生了氢溢流现象,因此,RuO2的还原温度提高了[21]。从图 8中还观察到,随着MgO摩尔分数的增加,α峰峰强度逐渐降低,而β峰显著增加,这说明,Ru取代了Mg形成Ru—O—Mg键,而不是取代Zr形成Ru-O-Zr,随着Mg摩尔分数的增加,形成了更多的Ru—O—Mg键,因此β峰峰面积随着Mg摩尔分数的增加而增加。β峰峰面积的变化趋势与催化剂催化异构化效率趋势相一致,表明固溶体晶格中的Ru是Ru-OMZMr催化剂的催化异构化反应的另一个活性位点。

    图 8

    图 8.  不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr催化剂的H2-TPR谱图
    Figure 8.  H2-TPR profiles of Ru-OMZMr with different n(Zr):n(Mg)

    a.Ru-OMZM1; b.Ru-OMZM2; c.Ru-OMZM3; d.Ru-OMZM4

    上述表征表明,催化剂表面的强碱性位点和固溶体晶格中的Ru是催化反应的两个活性位点,强碱性位点和Ru活性位点协同作用,Ru与强碱性位点间存在的强相互作用(SMSI),这种SMSI作用有利于给电子的强碱性位点和吸高效催化亚油酸异构化反应。

    共轭亚油酸理论上有28种异构体,但已证明具有生物活性的异构体主要是t9, c11-CLA、c10, t10-CLA和t9, t11-CLA 3种异构体,因此共轭亚油酸的异构体严重影响共轭亚油酸的价值。Ru-OMZM1催化剂催化产物的组成如图 9所示。从图 9可以看到,随着反应时间的增加,总共轭亚油酸的产率迅速增加,反应4 h后,总共轭亚油酸的产率达到85%,继续增加反应时间,总共轭亚油酸的产率不再明显增加,从各个异构体来看,反应4 h前,(t9, c11-CLA)、(c10, t12- CLA)和(t9, t11- CLA3)种异构体的产率与总共轭亚油酸的变化趋势相一致,三者的物质的量比基本维持在n(t9, c11-CLA):n(c10, t12- CLA):n(t9, t11- CLA)=4:4:2的水平,但反应时间4 h后,(t9, c11-CLA)、(c10, t12- CLA)两种异构体的质量分数却迅速降低,而t9, t11- CLA的质量分数大幅增加,这是由于t9, t11- CLA是热力学稳定的异构体,4 h后,催化反应主要是发生(t9, c11-CLA)、(c10, t12-CLA)两种异构体向热力学稳定的t9, t11-CLA异构体转化的过程,表明Ru-OMZM1催化剂的适宜的反应时间为4 h。

    图 9

    图 9.  Ru-OMZM1催化制备共轭亚油酸异构体随时间变化曲线
    Figure 9.  Mole composition vs. time dependence for conjugated linoleic acid isomers catalyzed by Ru-OMZM1

    a.CLAs; b.t9, c11-CLA; c.c10, t12-CLA; d.t9, t11-CLA; e.other CLAs

    以三嵌段共聚物P123为模板,采用溶胶-凝胶法合成出含有不同n(Zr):n(Mg)的Ru掺杂的MgO-ZrO2有序介孔复合氧化物Ru-OMZMr催化剂。催化剂的n(Zr):n(Mg)对催化剂的有序性产生显著影响,Ru-OMZM3催化剂具有有序性较好,比表面积高。催化结果表明,有序多孔结构的催化剂能有效提高催化剂的催化活性,催化剂的活性中心为Ru位点和碱性位点,Ru与强碱性位点间存在的强相互作用(SMSI),这种SMSI作用有利于给电子的强碱性位点和吸电子的Ru位点之间电子转移,从而高效催化亚油酸异构化反应。有序介孔结构提高了催化剂活性位点与底物的接触几率,Ru-OMZMr催化亚油酸异构化生成共轭亚油酸结果表明,反应时间4 h,Ru-OMZM1的共轭亚油酸产率较高,达到85%,催化产物主要为具有生物活性的3种异构体的共轭亚油酸。

    辅助材料(Supporting Information)[Ru-ZMr催化剂的组织参数和催化剂前驱体TG图]可以免费从本刊网站(http://yyhx.ciac.jl.cn/)下载。

    1. [1]

      Yang B, Chen H Q, Stanton C. Review of the Roles of Conjugated Linoleic Acid in Health and Disease[J]. J Funct Foods, 2015, 15(1):  314-325.

    2. [2]

      Philoppaerts A, Goossens S, Vermandel W. Design of Ru-zeolites for Hydrogen-free Production of Conjugated Linoleic Acids[J]. ChemSusChem, 2011, 4(6):  757-767. doi: 10.1002/cssc.v4.6

    3. [3]

      Bernas A, Murzin D Y. Linoleic Acid Isomerization on Ru/Al2O3 Catalyst:1.Conjugation and Hydrogenation[J]. Chem Eng J, 2005, 115(1/2):  13-22.

    4. [4]

      Bernas A, Murzin D Y. Linoleic Acid Isomerization on Ru/Al2O3 Catalyst:2.Elementary Step Mechanism[J]. Chem Eng J, 2005, 115(1/2):  23-43.

    5. [5]

      Bernas A, Kumar N, Laukkanen P. Influence of Ruthenium Precursor on Catalytic Activity of Ru/Al2O3 Catalyst in Selective Isomerization of Linoleic Acid to Cis-9, Trans-11 and Trans-10, Cis-12 Conjugated Linoleic Acid[J]. Appl Catal A, 2004, 267(1/2):  121-133.

    6. [6]

      Kreich M, Claus P. Direct Conversion of Linoleic Acid over Silver Catalyst in the Presence of H2:An Unusual Way Toward Conjugated Linoleic Acid[J]. Angew Chem Int Ed, 2005, 44(47):  7800-7804. doi: 10.1002/(ISSN)1521-3773

    7. [7]

      Bernas A, Kumar N, Maki-Arvela P. Heterogeneous Catalytic Production of Conjugated Linoleic Acid[J]. Org Proc Res Dev, 2004, 8(3):  341-352. doi: 10.1021/op034127v

    8. [8]

      Yasu-eda T, Kitamura S, Ikenaga N O. Selective Oxidation of Alcohols with Molecular Oxygen over Ru/CaO-ZrO2[J]. J Mol Catal A-Chem, 2010, 323(1/2):  7-15.

    9. [9]

      Tian X K, Zeng Y L, Xiao T. Fabrication and Stabilization of Nanocrystalline Ordered Mesoporous MgO-ZrO2 Solid Solution[J]. Micropor Mesopor Mater, 2011, 143(2/3):  357-361.

    10. [10]

      Sebedio J L, Christie W E, Adlof O R. Advances in Conjugated Linoleic Acid Research[M]. Vol. 2, AOCS Press, Champaign, 2003: 5-6.

    11. [11]

      Liu S G, Ma J, Guan L X. Mesoprous CaO-ZrO2 Nano-oxides:A Novel Solid Base with High Activity and Stability[J]. Micropor Mesopor Mater, 2009, 117(1/2):  466-471.

    12. [12]

      Tian X K, Xiao T, Yang C. Synthesis of Crystalline Ordered Mesoporous CaO-ZrO2 Solid Solution as a Promising Solid Base[J]. Mater Chem Phys, 2010, 124(1):  744-747. doi: 10.1016/j.matchemphys.2010.07.050

    13. [13]

      Xia S F, Guo X M, Mao D S. Biodiesel Synthesis over the CaO-ZrO2 Solid Base Catalyst Prepared by a Urea-Nitrate Combustion Method[J]. RSC Adv, 2014, 4(93):  51688-51695. doi: 10.1039/C4RA11362D

    14. [14]

      Coleto I, Roldan R, Sanchidrian C J. Valorization of A-olefins:Double Bond Shift and Skeletal Isomerization of 1-Pentene and 1-Hexene on Zirconia-based Catalysts[J]. Catal Today, 2010, 149(3/4):  275-280.

    15. [15]

      Xiao Y H, Zheng X H, Chen X H. Synthesis of Mg-doped Ordered Mesoporous Pd-Al2O3 with Different Basicity for CO, NO and HC Elimination[J]. Ind Eng Chem Res, 2017, 56(7):  1687-1695. doi: 10.1021/acs.iecr.6b03799

    16. [16]

      Yuan Q, Li L L, Lu S L. Facile Synthesis of Zr-based Functional Materials with Highly Ordered Mesoporous Structures[J]. J Phys Chem C, 2009, 113:  4117-4124.

    17. [17]

      黄徽.有序介孔金属氧化物的制备、改性及其光催化性能研究[D].苏州, 苏州大学, 2014. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10285-1014267069.htmHUANG Hui. Study on Preparation, Modification and Photocatalytic Performance of High-ordered Mesoporous Metal Oxides[D]. Suzhou: Suzhou University, 2014(in Chinese). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10285-1014267069.htm

    18. [18]

      Duan H L, Yamada Y, Sato S. Selective Dehydration of 2, 3-Butanediol to 3-Buten-2-ol over ZrO2 Modified with CaO[J]. Appl Catal A-Gen, 2014, 487(10):  226-233.

    19. [19]

      Wang H, Wang M, Liu S G. Influence of Preparation Methods on the Structure and Performance of CaO-ZrO2 Catalyst for the Synthesis of Dimethyl Carbonate via Transesterification[J]. J Mol Catal A-Chem, 2006, 258(1/2):  308-312.

    20. [20]

      Seetharamulu P, Reddy K H P, Padmasri A H. Role of Promoters on Highly Active Nano-Ru, Catalyst Supported on Mg-Al Hydrotalcite Precursor for the Synthesis of Ammonia[J]. Appl Catal, 2009, 141(1/2):  94-98.

    21. [21]

      Narasimharao K, Seetharamulu P, Rao K S R. Carbon Covered Mg-Al Hydrotalcite Supported Nanosized Ru Catalysts for Ammonia Synthesis[J]. J Mol Catal A-Chem, 2016, 411:  157-166. doi: 10.1016/j.molcata.2015.10.019

  • 图 1  不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr催化剂广角XRD谱图

    Figure 1  Wide-angle XRD patterns of Ru-OMZMr catalysts with different n(Zr):n(Mg)

    a.Ru-OMZM1; b.Ru-OMZM2; c.Ru-OMZM3; d.Ru-OMZM4

    图 2  Ru-OMZMr催化剂广角XRD谱图的扩大图

    Figure 2  Magnification XRD patterns of the Ru-OMZMr catalysts

    a.Ru-OMZM1; b.Ru-OMZM2; c.Ru-OMZM3; d.Ru-OMZM4

    图 3  不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr催化剂小角XRD谱图

    Figure 3  Small-angle XRD patterns of Ru-OMZMr catalysts with different n(Zr):n(Mg)

    a.Ru-OMZM1; b.Ru-OMZM2; c.Ru-OMZM3; d.Ru-OMZM4

    图 4  不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr催化剂的TEM照片

    Figure 4  TEM image of Ru-OMZMr catalysts with different n(Zr):n(Mg)

    A.Ru-OMZM1; B.Ru-OMZM2; C.Ru-OMZM3; D.Ru-OMZM4

    图 5  Ru-OMZMr催化剂的N2等温吸附/脱附曲线(A)和孔径分布(B)图

    Figure 5  Nitrogen adsorption-desorption isotherms(A) and pore-size distribution(B) curves of Ru-OMZMr catalysts with different n(Zr):n(Mg)

    a.Ru-OMZM1; b.Ru-OMZM2; c.Ru-OMZM3; d.Ru-OMZM4

    图 6  不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr催化剂的共轭亚油酸转化率

    Figure 6  The conjugated linoleic acid yield of Ru-OMZMr with different n(Zr):n(Mg)

    图 7  不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr催化剂的CO2-TPD谱图

    Figure 7  CO2-TPD profiles of Ru-OMZMr with different n(Zr):n(Mg)

    a.Ru-OMZM1; b.Ru-OMZM2; c.Ru-OMZM3; d.Ru-OMZM4

    图 8  不同n(Zr):n(Mg)的Ru-OMZMr催化剂的H2-TPR谱图

    Figure 8  H2-TPR profiles of Ru-OMZMr with different n(Zr):n(Mg)

    a.Ru-OMZM1; b.Ru-OMZM2; c.Ru-OMZM3; d.Ru-OMZM4

    图 9  Ru-OMZM1催化制备共轭亚油酸异构体随时间变化曲线

    Figure 9  Mole composition vs. time dependence for conjugated linoleic acid isomers catalyzed by Ru-OMZM1

    a.CLAs; b.t9, c11-CLA; c.c10, t12-CLA; d.t9, t11-CLA; e.other CLAs

    表 1  Ru-OMZMr催化剂的组织参数

    Table 1.  The textural properties of the Ru-OMZMr catalysts

    SBET/(m2·g-1) Vp/(cm3·g-1) DBJH/nm
    Ru-OMZM1 38 0.06 4.1
    Ru-OMZM2 64 0.11 4.0
    Ru-OMZM3 178 0.18 3.4
    Ru-OMZM4 151 0.16 3.1
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    表 2  本文合成催化剂的共轭亚油酸产率与文献报道的对比

    Table 2.  Comparison of different catalysts described in the literature for the production of CLA

    Entry Substrate Catalyst Solvent Temperature/℃ RA YCLAa/% Pb Rc TOFd Ref.
    1 methyl linoleate KOH ethylene glycol 180 N2 97 0.63 - - [2]
    2 methyl linoleate Ru/C n-decane 250 N2 31 0.019 13.6 5.3 [2]
    3 linoleic acid Ru/C n-decane 165 N2 58 0.90 23 17.2 [2]
    4 linoleic acid Ru/Al2O3 n-decane 165 N2 30 0.0048 0.83 0.85 [2]
    5 linoleic acid Ru/H-Y n-decane 120 N2 24 0.002 0.8 0.4 [2]
    6 linoleic acid Ag/SiO2 n-decane 165 H2 67 0.021 1.5 0.7 [2]
    7 linoleic acid Au/C n-decane 150 H2 4 0.0005 0.2 0.1 [2]
    8 linoleic acid Ru-OMZM1 n-decane 180 N2 85 0.099 37.2 35.8 this work
    9 linoleic acid OMZM1 n-decane 180 N2 0 0 0 0 this work
    a.Yield of CLA; b.CLA productivity[g(CLA)·L-1(solvent)·min-1]; c.CLA production rate[g(CLA)·g-1(Ru)·h-1]; d.Turnover frequency[mol(LA converted)·mol-1(Ru)·h-1].
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  • 发布日期:  2018-11-10
  • 收稿日期:  2017-11-15
  • 接受日期:  2018-02-06
  • 修回日期:  2017-12-29
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

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