氮掺杂碳负载Sb@PtSb2催化剂的制备及其在甘油选择性氧化反应中的应用

杨丽华 何天衢 赖楚钧 陈平 侯昭胤

引用本文: 杨丽华,  何天衢,  赖楚钧,  陈平,  侯昭胤. 氮掺杂碳负载Sb@PtSb2催化剂的制备及其在甘油选择性氧化反应中的应用[J]. 催化学报, 2020, 41(3): 494-502. doi: S1872-2067(19)63476-5 shu
Citation:  Lihua Yang,  Tianqu He,  Chujun Lai,  Ping Chen,  Zhaoyin Hou. Selective oxidation of glycerol with oxygen in base-free solution over N-doped-carbon-supported Sb@PtSb2 hybrid[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(3): 494-502. doi: S1872-2067(19)63476-5 shu

氮掺杂碳负载Sb@PtSb2催化剂的制备及其在甘油选择性氧化反应中的应用

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21773206,21473155);浙江省自然科学基金(L12B03001).

摘要: 甘油是生物柴油生产过程中生成的副产物,随着生物柴油产量的快速增长,甘油的量也迅速增加.据估计,到2020年甘油的产量将比需求量高出6倍.因此,将过剩的甘油转化为其它更有价值的化学品具有重要意义.
在已经发表的文献中,各种碳材料负载的Pt催化剂被广泛应用于液相中甘油的选择性氧化.但是,由于Pt纳米颗粒与碳载体之间相互作用较弱,因此Pt纳米颗粒易团聚和流失,而且Pt的过度氧化和有机羧酸的强吸附也导致Pt催化剂失活.最近的研究表明,采用含氮的碳载体可以增强Pt与载体间的相互作用,这种载体还有可能将电子转移给Pt,从而有效提高Pt的分散度、活性和稳定性.与此同时,引入其它金属如Co,Cu,Bi,Sb等与Pt形成合金也能有效改善催化剂的活性和稳定性.我们在前期工作中曾经发现多壁碳纳米管(MWCNTs)负载的PtSb合金在甘油氧化反应中具有很高的活性和二羟基丙酮选择性,可以抑制C-C裂解,并提高了催化剂的稳定性.但是在MWCNTs上组装PtSb颗粒的过程繁琐且危险,需要对载体进行氧化(浓硝酸)、嫁接硫醇、浸渍金属、高温还原等,同时MWCNTs的价格也较高.
本文采用简单的热解方法将氮和锑同时引入到碳基载体中,并用此载体制备了具有核壳结构的Sb@PtSb2/NC催化剂.首先将葡萄糖、三聚氰胺和SbCl3混合后在氮气中于700℃热解得到含Sb和N的多孔碳载体,再通过浸渍还原法将Pt还原并负载到该载体上即得到具有核壳结构的Sb@PtSb2/NC催化剂.该催化剂对催化甘油氧化具有较高的活性,同时具有较好的稳定性.氮气吸附表征表明,引入N和Sb都能提高载体的比表面积和孔体积,其中Sb的引入使得催化剂表面形成了多孔结构(SEM表征).XRD、TEM和EDS表征证明了具有核壳结构的Sb@PtSb2颗粒在载体表面上的生成.Raman光谱表明N和Sb的引入增加了碳缺陷,有可能带来新的活性位点.O2-TPD表征表明Sb@PtSb2/NC对氧的吸附量远高于Pt/NC,这可能归因于PtSb2合金中Pt-Sb金属间的原子间距增大,有利于氧的吸附和表面扩散,从而显著提高了催化剂活性.XPS表征表明了从N到Pt的电子转移,而这种富含电子的Pt具有更高的活性.将制备的催化剂用于考评催化甘油氧化的活性,发现相比于Pt/NC,Sb@PtSb2/NC催化剂催化甘油氧化具有显著增加的活性,二羟基丙酮选择性也明显提高,在60℃,0.6MPa O2气氛下,100mg催化剂与5mL 0.2g/mL甘油水溶液反应3h得到了65.3%的甘油转化率,以及39.2%的二羟基丙酮选择性和51.8%的甘油酸选择性.这可能归因于载体比表面积的增加、更多的碳缺陷,以及PtSb2合金的形成.使用五次后的催化剂仍保持较高的催化活性,证实了该催化剂具有较好的稳定性.

English

    1. [1] A. Talebian-Kiakalaieh, N. A. S. Amin, K. Rajaei, S. Tarighi, Appl. Energy, 2018, 230, 1347-1379.

    2. [2] L. H. Yang, X. W. Li, P. Chen, Z. Y. Hou, Chin. J. Catal., 2019, 40, 1020-1034.

    3. [3] K. Kong, D. F. Li, W. B. Ma, Q. Q. Zhou, G. P. Tang, Z. S. Hou, Chin. J. Catal., 2019, 40, 534-542.

    4. [4] C. Zhang, T. Wang, Y. J. Ding, Chin. J. Catal., 2017, 38, 928-938.

    5. [5] M. Y. Zhang, Y. Y. Sun, J. J. Shi, W. S. Ning, Z. Y. Hou, Chin. J. Catal., 2017, 38, 537-544.

    6. [6] T. Jedsukontorn, V. Meeyoo, N. Saito, M. Hunsom, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1975-1981.

    7. [7] M. L. Faroppa, J. J. Musci, M. E. Chiosso, C. G. Caggiano, H. P. Bide-berripe, J. L. García Fierro, G. J. Siri, M. L. Casella, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1982-1990.

    8. [8] H. Kimura,K. Tsuto, T. Wakisaka, Y. Kazumi, Y. Inaya, Appl. Catal. A:Gen., 1993, 96, 217-228.

    9. [9] P. Gallezot, Catal. Today, 1997, 37, 405-418.

    10. [10] S. Carrettin, P. McMorn, P. Johnston, K. Griffin, C. J. Kiely, G. J. Hutchings, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 5, 1329-1336.

    11. [11] B. N. Zope, D. D. Hibbitts, M. Neurock, R. J. Davis, Science, 2010, 330, 74-78.

    12. [12] M. S. Ide, R. J. Davis, Acc. Chem. Res., 2014, 47, 825-833.

    13. [13] A. Villa, N. Dimitratos, C. E. Chan-Thaw, C. Hammond, L. Prati, G. J. Hutchings, Acc. Chem. Res., 2015, 48, 1403-1412.

    14. [14] Y. Li, F. Zaera, J. Catal., 2015, 326, 116-126.

    15. [15] J. Dou, B. W. Zhang, H. Liu, J. D. Hong, S. M. Yin, Y. Z. Huang, R. Xu, Appl. Catal. B:Environ., 2016, 180, 78-85.

    16. [16] Z. F. Yuan, Z. K. Gao, B. Q. Xu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 1543-1551.

    17. [17] C. L. Xu, Y. Q. Du, C. Li, J. Yang, G. Yang, Appl. Catal. B:Environ., 2015, 164, 334-343.

    18. [18] A. Villa, S. Campisi, K. M. H. Mohammed, N. Dimitratos, F. Vindigni, M. Manzoli, W. Jones, M. Bowker, G. J. Hutchings, L. Prati, Catal. Sci. Technol., 2015, 5, 1126-1132.

    19. [19] Y. Li, F. Zaera, Catal. Sci. Technol., 2015, 5, 3773-3781.

    20. [20] E. Skrzyńska, S. Zaid, A. Addad, J.-S. Girardon, M. Capron, F. Dumeignil, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 3182-3196.

    21. [21] G. Dodekatos, H. Tüysüz, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 7307-7315.

    22. [22] G. Dodekatos, J. Ternieden, S. Schünemann, C. Weidenthaler, H. Tüysüz, Catal. Sci. Technol., 2018, 8, 4891-4899.

    23. [23] M. S. Ide, D. D. Falcone, R. J. Davis, J. Catal., 2014, 311, 295-305.

    24. [24] S. S. Chen, P. Y. Qi, J. Chen, Y. Z. Yuan, RSC Adv., 2015, 5, 31566-31574.

    25. [25] Y. Y. Sun, X. W. Li, J. G. Wang, W. S. Ning, J. Fu, X. Y. Lu, Z. Y. Hou, Appl. Catal. B:Environ., 2017, 218, 538-544.

    26. [26] A. Villa, G. M. Veith, L. Prati, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 4499-4502.

    27. [27] G. L. Brett, Q. He, C. Hammond, P. J. Miedziak, N. Dimitratos, M. Sankar, A. A. Herzing, M. Conte, J. A. Lopez-Sanchez, C. J. Kiely, D. W. Knight, S. H. Taylor, G. J. Hutchings, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 10136-10139.

    28. [28] C. M. Olmos, L. E. Chinchilla, E. G. Rodrigues, J. J. Delgado, A. B. Hungría, G. Blanco, M. F. R. Pereira, J. J. M. Órfã, J. J. Calvino, X. W. Chen, Appl. Catal. B:Environ., 2016, 197, 222-235.

    29. [29] W. B. Hu, B. Lowry, A. Varma, Appl. Catal. B:Environ., 2011, 106, 123-132.

    30. [30] J. B. Goodenough, R. Manoharan, A. K. Shukla, K. V. Ramesh, Chem. Mater., 1989, 1, 391-398.

    31. [31] J. H. Kim, S. M. Choi, S. H. Nam, M. H. Seo, S. H. Choi, W. B. Kim, Appl. Catal. B:Environ., 2008, 82, 89-102.

    32. [32] M. J. González, C. T. Hable, M. S. Wrighton, J. Phys. Chem. B, 1998, 102, 9881-9890.

    33. [33] K. W. Park, J. H. Choi, B. K. Kwon, S. A. Lee, Y. E. Sung, H. Y. Ha, S. A. Hong, H. Kim, A. Wieckowski, J. Phys. Chem. B, 2002, 106, 1869-1877.

    34. [34] M. Y. Zhang, J. J. Shi, W. S. Ning, Z. Y. Hou, Catal. Today, 2017, 298, 234-240.

    35. [35] R. F. Nie, D. Liang, L. Shen, J. Gao, P. Chen, Z. Y. Hou, Appl. Catal. B:Environ., 2012, 127, 212-220.

    36. [36] X. M. Ning, Y. H. Li, H. Yu, F. Peng, H. J. Wang, Y. H. Yang, J. Catal., 2016, 335, 95-104.

    37. [37] O. S. G. P. Soares, R. P Rocha, A. G. Gonçalves, J. L. Figueiredo, J. J. M. Órfão, M. F. R. Pereira, Appl. Catal. B:Environ., 2016, 192, 296-303.

    38. [38] X. M. Ning, Y. H Li, B. Q. Dong, H. J. Wang, H. Yu, F. Peng, Y. H. Yang, J. Catal., 2017, 348, 100-109.

    39. [39] D. H. Guo, R. Shibuya, C. Akiba, S. Saji, T. Kondo, J. Nakamura, Science, 2016, 351, 361-365.

    40. [40] X. Z. Duan, Y. F. Zhang, M. J. Pan, H. Dong, B. X. Chen, Y. Y. Ma, G. Qian, X. G. Zhou, J. Yang, D. Chen, AIChE J., 2018, 64, 3979-3987.

    41. [41] D. Liang, J. Gao, H. Sun, P. Chen, Z. Y. Hou, X. M. Zheng, Appl. Catal. B:Environ., 2011, 106, 423-432.

    42. [42] L. H. Yang, X. W. Li, Y. Y. Sun, L. H. Yue, J. Fu, X. Y. Lu, Z. Y. Hou, Catal. Commun., 2017, 101, 107-110.

    43. [43] M. Li, Y. P. Xiong, X. T. Liu, C. Han, Y. F. Zhang, X. J. Bo, L. P. Guo, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 9658-9667.

    44. [44] A. Katsaounis, Z. Nikopoulou, X. E. Verykios, C. G. Vayenas, J. Catal., 2004, 222, 192-206.

    45. [45] X. Fu, Y. Liu, W. Yao, Z. Wu, Catal. Commun., 2016, 83, 22-26.

    46. [46] Q. G. He, Q. Li, S. Khene, X. M. Ren, F. E. López-Suárez, D. Loza-no-Castelló, A. Bueno-López, G. Wu, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 8697-8707.

    47. [47] G. Wu, K. L. More, P. Xu, H. L. Wang, M. Ferrandon, A. J. Kropf, D. J. Myers, S. G. Ma, C. M. Johnston, P. Zelenay, Chem. Commun., 2013, 49, 3291-3293.

    48. [48] M. Xiao, J. Zhu, L. Feng, C. Liu, W. Xing, Adv. Mater., 2015, 27, 2521-2527.

    49. [49] S. Kozuch, J. M. L. Martin, ACS Catal., 2012, 2, 2787-2794.

    50. [50] F. Schüth, M. D. Ward, J. M. Buriak, Chem. Mater., 2018, 30, 3599-3600.

    51. [51] J. Q. Lei, H. Dong, X. Z. Duan, W. Y. Chen, G. Qian, D. Chen, X. G. Zhou, Ind. Eng. Chem. Res., 2016, 55, 420-427.

    52. [52] J. Q. Lei, X. Z. Duan, G. Qian, X. G. Zhou, CIESC J., 2017, 68, 679-686.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  10
  • 文章访问数:  951
  • HTML全文浏览量:  118
文章相关
  • 收稿日期:  2019-07-04
  • 修回日期:  2019-08-06
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