碳热还原一步构建氧化铝修饰CuNi合金催化剂及其乙酰丙酸转移加氢性能

背景介绍铜镍合金对乙酰丙酸转移加氢具有良好的催化活性，氧化铝可以有效地为反应提供酸性位点。常规催化剂合成方法是将铜镍前驱体直接浸渍在酸性氧化铝载体表面，通过氢气还原获得铜镍合金，但该方法对酸性位的单独定量调控仍较困难，且存在着酸性位的浪费。多孔碳作为载体的催化剂拥有理想的比表面积，保证了活性位点的高分散，且在高温下可以直接通过碳热还原反应将金属前驱体还原得到纳米合金。本文通过一步碳热还原法，将铜镍合金和氧化铝一同负载在活性炭表面。在铜、镍、铝3个组分共同存在的条件下，研究碳热还原过程中铜镍合金形成和铝的转化过程，以有效合成酸修饰的铜镍合金催化剂，实现乙酰丙酸原位加氢制戊内酯。文章亮点01.以氧化铝为酸性位点，铜镍为加氢位点，以碳热还原法一步构建了酸修饰的CuNi合金催化剂；02.碳热还原温度大于450℃时，能得到CuNi合金；过高的还原温度下，不利于铜镍合金的形成；03.还原温度较低的催化剂上虽然零价金属较少，但反应过程中异丙醇能把金属氧化物还原至零价金属；还原温度较高时，得到的零价金属较多，但颗粒团聚更严重；04.不同还原温度下的催化剂都对戊内酯表现出良好的选择性，催化活性没有明显差异性。内容介绍1实验部分1.1

主要仪器与试剂1.2

实验方法1.2.1

Al修饰CuNi催化剂的合成1.2.1.1

Cu/Ni物质的量比不同制备Cu/Ni的物质的量比不同的催化剂，其中镍和铜的总元素质量为活性炭质量的5wt%，m（Al）∶m（CuNi）=1∶1，煅烧温度为500℃。1.2.1.2

煅烧温度不同制备煅烧温度不同的催化剂，其中镍和铜的总元素质量为活性炭质量的5wt%，n（Cu）∶n（Ni）=3∶7，m（Al）∶m（CuNi）=1∶1。1.2.2

实验方法催化剂的转移加氢活性测试在一个50mL不锈钢高压釜中进行，高压釜自配有磁力搅拌、压力表和自动温度控制装置。1.2.3

分析方法采用气相色谱测定了液体产物中乙酰丙酸转化率和各个产物的产率。所用色谱柱型号为HP-5MS，毛细管柱为30m

×

0.25mm

×

0.25m。2结果与讨论2.1

催化剂表征为了分析铜和镍在500℃煅烧温度下的碳热还原行为，探究了Cu/Ni物质的量比例变化对催化剂结构的影响，不同Cu/Ni物质的量比例催化剂的XRD图如图1所示。Cu3Ni7-Al/AC中只含CuNi合金，不含金属的氧化物，因此选择Cu3Ni7-Al/AC来讨论还原温度对催化剂结构的影响。实验中以氮气为煅烧气氛，改变样品在管式炉中的煅烧温度，不同煅烧温度下的催化剂的XRD图如图2所示。以TEM和EDS研究不同煅烧温度得到的催化剂上的颗粒变化。图3为不同煅烧温度得到的催化剂的元素分布图。图4为不同碳热还原温度得到的催化剂的TEM表征图。研究煅烧温度对催化剂的表面金属状态的影响，对催化剂进行了XPS表征。图5为CuNi-Al/AC(300)和CuNi-Al/AC(500)催化剂的镍、铜、铝和氧的XPS结果以及拟合分峰。2.2

转移加氢活性不同Cu/Ni物质的量比例的催化剂在乙酰丙酸转移加氢反应中的催化性能如图6a所示，其中Cu7Ni3-Al/AC上戊内酯产率最大，为85.7%。金属氧化物可以在还原性溶液中发生还原反应，成为金属单质。采用XRD表征了CuNi-Al/AC(300)循环使用5次前后结构的变化，如图7所示。2.3

催化剂循环稳定性催化剂循环使用性对于潜在的工业应用价值而言非常重要，对CuNi-Al/AC(300)和CuNi-Al/AC(500)的循环稳定性进行了考察，结果如图8所示。3结论本文用碳热还原法一步制备了酸修饰的CuNi合金催化剂。500℃的碳热还原下，铜镍的硝酸盐分别经过活性炭还原可得到Cu2O和Ni。铜镍同时加入时可形成CuNi合金，Cu/Ni比值较大时出现Cu2O，且CuNi合金相发生变化，其中结晶度良好的CuNi合金更有利于转移加氢反应。碳热还原温度为300℃时，镍以Ni(OH)2的形式存在，金属性更弱的铜被还原为Cu或Cu2O；提高还原温度有助于CuNi合金的形成和CuNi合金结晶度的增强；温度超过500℃时，部分的铜直接以Cu2O的形式固定在载体上。铝在600℃以下始终以无定型氧化铝的形式存在以提供酸性位点。不同还原温度下的催化剂都对戊内酯表现出良好的选择性，催化活性没有明显差异性。分析认为：随着还