锌铜复合氧化物负载的金纳米粒子在无碱条件下催化多种醇高效选择性氧化

汪伟 谢妍 张少华 刘星 张历云 张炳森 春田正毅 黄家辉

引用本文: 汪伟,  谢妍,  张少华,  刘星,  张历云,  张炳森,  春田正毅,  黄家辉. 锌铜复合氧化物负载的金纳米粒子在无碱条件下催化多种醇高效选择性氧化[J]. 催化学报, 2019, 40(12): 1924-1933. doi: S1872-2067(19)63429-7 shu
Citation:  Wei Wang,  Yan Xie,  Shaohua Zhang,  Xing Liu,  Liyun Zhang,  Bingsen Zhang,  Masatake Haruta,  Jiahui Huang. Highly efficient base-free aerobic oxidation of alcohols over gold nanoparticles supported on ZnO-CuO mixed oxides[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2019, 40(12): 1924-1933. doi: S1872-2067(19)63429-7 shu

锌铜复合氧化物负载的金纳米粒子在无碱条件下催化多种醇高效选择性氧化

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21606219);中国科学院战略性先导科技专项变革性洁净能源关键技术与示范(XDA21030900).

摘要: 醇选择性氧化为醛和酮是化学工业上的重要反应.醛和酮是广泛应用于合成医药、农药和香料等精细化学品的重要化学中间体.过去常用化学计量的氧化剂来实现醇的选择性氧化,但会带来严重的环境污染.目前,很多研究工作致力于发展环境友好的催化体系,利用分子氧来实现醇的高效选择性氧化.
在过去的30年里,金催化剂在多种气相和液相反应中的催化性能和反应机理已被深入研究.近年来,金催化剂在醇选择性氧化反应中表现出高的催化活性和特殊的选择性.设计和制备合适的载体对金催化剂取得优异的醇氧化催化活性有至关重要的作用.先前的研究工作报道氧化锌是一种碱性材料,其表面没有酸性位.Au/ZnO催化剂在苯甲醇氧化反应中表现出高的苯甲醛选择性和低的苯甲醇转化率.在本研究工作中,我们向ZnO载体中掺杂Cu元素,制备出一系列ZnO-CuO复合氧化物,并进一步负载金用于催化苯甲醇氧化反应.研究结果表明,在无碱的反应条件下,Au/ZnO-CuO催化剂比Au/ZnO和Au/CuO催化剂具有更高的苯甲醇氧化催化活性,其中Au/Zn0.7Cu0.3O催化剂表现出最优的催化活性.我们还研究了反应温度和氧气压力对Au/Zn0.7Cu0.3O催化苯甲醇选择性氧化活性的影响,探索了Au/Zn0.7Cu0.3O催化剂对多种醇氧化反应的普遍适用性,考察了Au/Zn0.7Cu0.3O催化剂对醇氧化反应的催化循环性能.我们发现Au/Zn0.7Cu0.3O催化剂在无碱温和的反应条件下可以将1-苯基乙醇、对甲基苯甲醇、对异丙基苯甲醇、二苯甲醇、环丙基苯甲醇和肉桂醇高效选择性氧化为对应的羰基化合物,但对正辛醇氧化反应表现出相对较低的催化活性.此外,Au/Zn0.7Cu0.3O催化剂在苯甲醇氧化反应的催化循环中容易失活,而在1-苯基乙醇氧化反应的催化循环中则表现出较好的稳定性.
利用X射线衍射、氮气吸脱附、氢气程序升温还原、透射电子显微镜、二氧化碳程序升温脱附和氧气程序升温脱附等方法对金催化剂的物化性质进行了表征,并提出了金催化苯甲醇选择性氧化可能的反应机理.我们认为Au/Zn0.7Cu0.3O催化剂优异的催化活性与其小的金粒径、好的低温还原性能、高的表面氧物种含量、表面酸碱性及金粒子与载体的协同效应等密切相关.

English

    1. [1] M. Liu, G. Fan, J. Yu, L. Yang, F. Li, Dalton Trans., 2018, 47, 5226-5235.

    2. [2] K. Mori, T. Hara, T. Mizugaki, K. Ebitani, K. Kaneda, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 10657-10666.

    3. [3] Y. Hao, S. Wang, Q. Sun, L. Shi, A. Lu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 612-619.

    4. [4] D. I. Enache, J. K. Edwards, P. Landon, B. Solsona-Espriu, A. F. Carley, A. A. Herzing, M. Watanabe, C. J. Kiely, D. W. Knight, G. J. Hutchings, Science, 2006, 311, 362-365.

    5. [5] J. Yang, Y. Guan, T. Verhoeven, R. Santen, C. Li, E. J. M. Hensen, Green Chem., 2009, 11, 322-325.

    6. [6] Q. Mei, H. Liu, Y. Yang, H. Liu, S. Li, P. Zhang, B. Han, ACS Sustainable Chem. Eng., 2018, 6, 2362-2369.

    7. [7] T. Takei, T. Akita, I. Nakamura, T. Fujitani, M. Okumura, K. Okazaki, J. Huang, T. Ishida, M. Haruta, Adv. Catal., 2012, 55, 1-126.

    8. [8] A. S. K. Hashmi, G. J. Hutchings, Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 7896-7936.

    9. [9] T. Yoshida, T. Murayama, N. Sakaguchi, M. Okumura, T. Ishida, M. Haruta, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 1523-1527.

    10. [10] T. Hayashi, K. Tanaka, M. Haruta, J. Catal., 1998, 178, 566-575.

    11. [11] C. Santra, M. Pramanik, K. K. Bando, S. Maity, B. Chowdhury, J. Mol. Catal. A, 2016, 418-419, 41-53.

    12. [12] J. E. Bailie, H. A. Abdullah, J. A. Anderson, C. H. Rochester, N. V. Richardson, N. Hodge, J. G. Zhang, A. Burrows, C. J. Kiely, G. J. Hutchings, Phys. Chem. Chem. Phys., 2001, 3, 4113-4121.

    13. [13] R. J. Lewis, G. J. Hutchings, ChemCatChem, 2019, 11, 298-308.

    14. [14] M. Valden, X. Lai, D. W. Goodman, Science, 1998, 281, 1647-1650.

    15. [15] M. Comotti, W. C. Li, B. Spliethoff, F. Schüth, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 917-924.

    16. [16] H. Tang, Y. Su, B. Zhang, A. F. Lee, M. A. Isaacs, K. Wilson, L. Li, Y. Ren, J. Huang, M. Haruta, B. Qiao, X. Liu, C. Jin, D. Su, J. Wang, T. Zhang, Sci. Adv., 2017, 3, e1700231.

    17. [17] C. D. Pina, E. Falletta, L. Prati, M. Rossi, Chem. Soc. Rev., 2008, 37, 2077-2095.

    18. [18] T. Ishida, Y. Ogihara, H. Ohashi, T. Akita, T. Honma, H. Oji, M. Haruta, ChemSusChem, 2012, 5, 2243-2248.

    19. [19] T. Li, F. Liu, Y. Tang, L. Li, S. Miao, Y. Su, J. Zhang, H. Sun, M. Haruta, A. Wang, B. Qiao, J. Li, T. Zhang, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 7795-7799.

    20. [20] S. Mandal, K. K. Bando, C. Santra, S. Maity, O. O. James, D. Mehta, B. Chowdhury, Appl. Catal. A, 2013, 452, 94-104.

    21. [21] P. Haider, A. Baiker, J. Catal., 2007, 248, 175-187.

    22. [22] F. Z. Su, Y. M. Liu, L. C. Wang, Y. Cao, H. Y. He, K. N. Fan, Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 334-337.

    23. [23] T. Mitsudome, A. Noujima, T. Mizugaki, K. Jitsukawa, K. Kaneda, Adv. Synth. Catal., 2009, 351, 1890-1896.

    24. [24] P. Liu, Y. Guan, R. A. van Santen, C. Li, E. J. M. Hensen, Chem. Commun., 2011, 47, 11540-11542.

    25. [25] J. Albadi, A. Alihoseinzadeh, A. Razeghi, Catal. Commun., 2014, 49, 1-5.

    26. [26] Z. Wu, J. Deng, Y. Liu, S. Xie, Y. Jiang, X. Zhao, J. Yang, H. Arandiyan, G. Guo, H. Dai, J. Catal., 2015, 332, 13-24.

    27. [27] H. Yang, F. Chang, L. S. Roselin, J. Mol. Catal. A, 2007, 276, 184-190.

    28. [28] Y. Liu, H. Dai, J. Deng, X. Li, Y. Wang, H. Arandiyan, S. Xie, H. Yang, G. Guo, J. Catal., 2013, 305, 146-153.

    29. [29] J. Xiao, D. Mao, X. Guo, J. Yu, Appl. Surf. Sci., 2015, 338, 146-153.

    30. [30] I. Melián-Cabrera, M. L. Granados, J. L. G. Fierro, J. Catal., 2002, 210, 273-284.

    31. [31] T. Shishido, M. Yamamoto, D. Li, Y. Tian, H. Morioka, M. Honda, T. Sano, K. Takehira, Appl. Catal. A, 2006, 303, 62-71.

    32. [32] X. Guo, D. Mao, G. Lu, S. Wang, G. Wu, J. Catal., 2010, 271, 178-185.

    33. [33] G. Fierro, M. Lo Jacono, M. Inversi, P. Porta, F. Cioci, R. Lavecchia, Appl. Catal. A, 1996, 137, 327-348.

    34. [34] M. Răciulete, G. Layrac, D. Tichit, I. C. Marcu, Appl. Catal. A, 2014, 477, 195-204.

    35. [35] Y. Wei, J. Liu, Z. Zhao, A. Duan, G. Jiang, J. Catal., 2012, 287, 13-29.

    36. [36] T. Takei, J. Suenaga, T. Ishida, M. Haruta, Top. Catal., 2015, 58, 295-301.

    37. [37] J. Chen, W. Fang, Q. Zhang, W. Ding, Y. Wang, Chem. Asian J., 2014, 9, 2187-2196.

    38. [38] A. Villa, C. E. Chan-Thaw, G. M. Veith, K. L. More, D. Ferri, L. Prati, ChemCatChem, 2011, 3, 1612-1618.

    39. [39] W. Fang, J. Chen, Q. Zhang, W. Deng, Y. Wang, Chem. Eur. J., 2011, 17, 1247-1256.

    40. [40] M. Sankar, E. Nowicka, R. Tiruvalam, Q. He, S. H. Taylor, C. J. Kiely, D. Bethell, D. W. Knight, G. J. Hutchings, Chem. Eur. J., 2011, 17, 6524-6532.

    41. [41] J. Feng, C. Ma, P. J. Miedziak, J. K. Edwards, G. L. Brett, D. Li, Y. Du, D. J. Morgan, G. J. Hutchings, Dalton Trans., 2013, 42, 14498-14508.

    42. [42] Z. Shi, Q. Tan, D. Wu, Appl. Catal. A, 2019, 581, 58-66.

    43. [43] Š. Hajduk, V. Dasireddy, B. Likozar, G. Dražić, Z. C. Orel, Appl. Catal. B, 2017, 211, 57-67.

    44. [44] Y. Wei, J. Liu, Z. Zhao, A. Duan, G. Jiang, C. Xu, J. Gao, H. He, X. Wang, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 2959-2970.

    45. [45] E. Rucinska, P. J. Miedziak, S. Pattisson, G. L. Brett, S. Iqbal, D. J. Morgan, M. Sankar, G. J. Hutchings, Catal. Sci. Technol., 2018, 8, 2987-2997.

    46. [46] P. J. Miedziak, Z. Tang, T. E. Davies, D. I. Enache, J. K. Bartley, A. F. Carley, A. A. Herzing, C. J. Kiely, S. H. Taylor, G. J. Hutchings, J. Mater. Chem., 2009, 19, 8619-8627.

    47. [47] A. Abad, A. Corma, H. García, Chem. Eur. J., 2008, 14, 212-222.

    48. [48] M. Conte, H. Miyamura, S. Kobayashi, V. Chechik, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 7189-7196.

    49. [49] Y. Wei, J. Liu, Z. Zhao, Y. Chen, C. Xu, A. Duan, G. Jiang, H. He, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 2326-2329.

    50. [50] H. Tsunoyama, N. Ichikuni, H. Sakurai, T. Tsukuda, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 7086-7093.

    51. [51] H. Tsunoyama, H. Sakurai, Y. Negishi, T. Tsukuda, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 9374-9375.

    52. [52] B. N. Zope, D. D. Hibbitts, M. Neurock, R. J. Davis, Science, 2010, 330, 74-78.

    53. [53] K. Shimizu, K. Sugino, K. Sawabe, A. Satsuma, Chem. Eur. J., 2009, 15, 2341-2351.

    54. [54] M. Daté, M. Okumura, S. Tsubota, M. Haruta, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 2129-2132.

    55. [55] J. Huang, T. Akita, J. Faye, T. Fujitani, T. Takei, M. Haruta, Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 7862-7866.

    56. [56] J. Saavedra, H. A. Doan, C. J. Pursell, L. C. Grabow, B. D. Chandler, Science, 2014, 345, 1599-1602.

    57. [57] Z. Yan, Z. Xu, L. Yue, L. Shi, L. Huang, Chin. J. Catal., 2018, 39, 1919-1928.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  8
  • 文章访问数:  1837
  • HTML全文浏览量:  171
文章相关
  • 收稿日期:  2019-04-29
  • 修回日期:  2019-06-23
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