DE19918431A1 - Verfahren zur Herstellung eines Katalysators zur selektiven Oxidation von Kohlenwasserstoffen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Katalysators zur selektiven Oxidation von KohlenwasserstoffenInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zusammensetzung, enthaltend Gold- und/oder Silberpartikel, Titanoxid und eines siliziumhaltigen Trägers, die in diesem Verfahren herstellbaren Zusammensetzungen sowie deren Verwendung in Verfahren zur selektiven Oxidation von Kohlenwasserstoffen. Die katalytisch aktiven Zusammensetzungen zeigen kontinuierlich über viele Monate und länger gleichbleibend hohe Selektivitäten und Produktivitäten.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zusammen
setzung enthaltend Gold- und/oder Silberpartikel, Titanoxid und eines silizium
haltigen Trägers, die in diesem Verfahren herstellbaren Zusammensetzungen sowie
deren Verwendung in Verfahren zur selektiven Oxidation von Kohlenwasserstoffen.
Die katalytisch aktiven Zusammensetzungen zeigen kontinuierlich über viele Monate
und länger gleichbleibend hohe Selektivitäten und Produktivitäten.
Die Direktoxidation von Ethen zu Ethenoxid durch molekularen Sauerstoff ist gut
bekannt und wird kommerziell zur Produktion von Ethenoxid in der Gasphase
angewendet. Der typische Katalysator für diese Anwendung enthält metallisches oder
ionisches Silber, eventuell noch modifiziert mit verschiedenen Promotoren und
Aktivatoren. Die meisten dieser Katalysatoren enthalten einen porösen, inerten
Katalysatorträger mit geringen Oberflächen wie z. B. alpha Aluminiumoxid, auf den
Silber und Promotoren aufgebracht wurden. Ein Überblick zur Direktoxidation von
Ethen in Gegenwart von geträgerten Silberkatalysatoren wurde von Sachtler et al. in
Catalysis Reviews: Science and Engineering, 23 (1&2), 127-149 (1981) zusammen
gestellt.
Es ist auch bekannt, daß diese Silberkatalysatoren und die Reaktionsbedingungen,
welche sich als günstig für die Ethenoxidproduktion herausgestellt haben, zu keinen
vergleichbar guten Ergebnissen in der Direktoxidation von höheren Olefinen, wie
Propen, führen (US 5 763 630, US 5 703 254, US 5 760 254) und maximale Propen
oxidselektivitäten von ca. 50% erreicht werden. Im allgemeinen verlaufen die
Direktoxidationen dieser höheren Olefine mit molekularem Sauerstoff in der Gas
phase - selbst in Gegenwart von Katalysatoren - nicht unterhalb von 200°C, und es
ist daher schwierig, oxidationsempfindliche Oxidationsprodukte, wie Epoxide,
selektiv herzustellen, da die Folgereaktionen dieser Produkte häufig schneller als die
Oxidation der eingesetzten Olefine selbst verlaufen. Ein weiteres Problem resultiert
aus der Oxidationsempfindlichkeit der bei höheren Olefinen vorhandenen Allyl
gruppen.
Aus diesem Grunde wird in der chemischen Industrie das Propenoxid zur Zeit aus
schließlich auf indirektem Wege in der Flüssigphase hergestellt.
Heute werden weltweit etwa 50% des Propenoxids über das "Chlorhydrin-Ver
fahren" synthetisiert. Weitere 50%, mit steigender Tendenz, liefern die "Oxiran-
Verfahren.
Beim Chlorhydrinverfahren (Weissermel et. al. in: Industrielle organische Chemie,
4. Auflage, Weinheim, 1994, S. 288-289) wird durch Reaktion von Propen mit HOCI
(Wasser und Chlor) zuerst das Chlorhydrin und anschließend hieraus durch Ab
spaltung von HCl mit einer Base das Propenoxid gebildet. Das Verfahren ist kosten
intensiv, weist aber bei entsprechender Optimierung eine hohe Selektivität (< 90%)
bei hohen Umsätzen auf. Der Chlorverlust beim Chlorhydrin-Verfahren in Form
wertloser Calciumchlorid- bzw. Natriumchlorid-Lösungen und die damit verbundene
hohe Salzfracht im Abwasser hat frühzeitig zur Suche nach chlorfreien Oxida
tionssystemen geführt.
Die Oxiranverfahren (Weissermel et. al. in: Industrielle organische Chemie, 4.
Auflage, Weinheim, 1994, S. 289-291) verwenden anstelle des anorganischen Oxida
tionsmittels HOCl organische Verbindungen zur Übertragung von Sauerstoff auf
Propen. Diese indirekte Epoxidation beruht auf der Tatsache, daß organische Per
oxide wie Hydroperoxide in flüssiger Phase ihren Peroxidsauerstoff selektiv auf
Olefine unter Bildung von Epoxiden übertragen können. Die Hydroperoxide gehen
dabei in Alkohole, die Peroxycarbonsäuren in Säuren über. Hydroperoxide werden
durch Autoxidation mit Luft oder molekularen Sauerstoff aus dem entsprechenden
Kohlenwasserstoff erzeugt. Ein gravierender Nachteil der indirekten Oxidation ist die
wirtschaftliche Abhängigkeit des Propenoxidwertes vom Marktwert des Koppelpro
duktes sowie die kostenintensive Herstellung der Oxidationsmittel.
Zur Zeit gibt es kein industrielles Verfahren in der Gasphase für die direkte Oxida
tion von Propen zu Propenoxid.
Bekannt sind Katalysatoren, bei denen Goldpartikel auf einen Träger, bestehend aus
dispergierten Titanzentren auf einer Siliziummatrix, aufgebracht werden (WO
98 00415 A1; WO 98 00414 A1; EP 0 827 779 A1). Alle diese durch Imprägnierung
mit anschließender Calcinierung erhaltenen Materialien desaktivieren mit der Zeit
(typische Halbwertszeiten liegen bei 5-50 h) und können deshalb nicht in
großtechnischen Anlagen eingesetzt werden.
Weiterhin sind Katalysatoren bekannt, bei denen Goldpartikel auf mikroporöse,
kristalline Gerüstsilicate mit definierter Porenstruktur, in denen Silicium-Tetraeder
plätze isomorph durch Titan substituiert sind (z. B. TS-1, TS-2, Ti-Zeolithe wie Ti-
Beta, Ti-ZSM-48 oder titanhaltige, mesoporöse Molekularsiebe wie z. B. Ti-MCM-41
oder Ti-HMS) aufgebracht werden (WO 9800413 A1). Alle diese Gold-Silikalit bzw.
Gold-Zeolith Strukturen zeigen zwar gute Selektivitäten, die Umsätze der
Kohlenwasserstoffe und vor allem die Katalysatorstandzeiten sind für die An
wendung in der chemischen Industrie völlig unzureichend.
Die beschriebenen Verfahren zur Katalysatorpräparation sind in Bezug auf Katalysa
toraktivität und -standzeit höchst unzufriedenstellend. Für technische Prozesse, die
mit gering-aktiven Katalysatoren arbeiten, werden riesige Reaktoren benötigt.
Geringe Katalysatorstandzeiten bedingen Produktionsausfall während der Regenerie
rungsphase oder verlangen nach einem redundanten, kostenintensiven Produk
tionsweg. Es ist also eine Entwicklung von Katalysatoren wünschenswert, die bei
excellenten Selektivitäten hohe Aktivitäten bei technisch interessanten Standzeiten
erreichen können.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand somit darin, ein technologisch
einfaches katalytisches Gasphasenverfahren zur selektiven Oxidation von Kohlen
wasserstoffen mit einem gasförmigen Oxidationsmittel an preiswerten Feststoff
katalysatoren zur Verfügung zu stellen, welches bei sehr hohen Selektivitäten und
technisch interessanten Katalysatorstandzeiten zu hohen Ausbeuten und geringen
Kosten führt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung bestand darin, Katalysatoren mit besseren
Standzeiten bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein Verfahren bereitzustellen, daß
Katalysatoren mit besseren Standzeiten liefert.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine geträgerte Zusammensetzung
enthaltend Gold- und/oder Silberpartikel, Titanoxid und einen siliziumhaltigen
Träger, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung an der Oberfläche
Gruppen ausgewählt aus Siliziumalkyl-, Siliziumaryl-, fluorhaltigen Alkyl- oder
fluorhaltigen Arylgruppen trägt, gelöst.
Die erfindungsgemäße geträgerte Zusammensetzung enthält Gold und/oder Silber auf
einem Trägermaterial. Im katalytisch aktiven Zustand liegt Gold und/oder Silber
hauptsächlich als elementares Metall (Analyse durch X-ray absorption spectroscopy).
Kleine Gold- und/oder Silberanteile können auch in einem höheren Oxida
tionszustand vorliegen. Nach TEM-Aufnahmen zu urteilen liegt der größte Anteil des
vorhandenen Goldes und/oder Silbers auf der Oberfläche des Trägermaterials vor. Es
handelt sich um Gold- und/oder Silbercluster im Nanometermaßstab. Bevorzugt
besitzen die Goldpartikel einen Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 50 nm,
bevorzugt 0,5 bis 15 nm und besonders bevorzugt 0,5 bis 10 nm. Bevorzugt besitzen
die Silberpartikel einen Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 40 nm, bevorzugt 0,5
bis 10 nm und besonders bevorzugt 0,5 bis 7 nm.
Die Goldkonzentration sollte im Bereich von 0,005 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 0,01 bis
2 Gew.-% und besonders bevorzugt von 0,08-1,5 Gew.-% Gold betragen.
Die Silberkonzentration sollte im Bereich von 0,01 bis 8 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis
6 Gew.-% und besonders bevorzugt von 0,5 bis 4 Gew.-% Silber betragen.
Höhere Gold- und/oder Silberkonzentrationen als die erwähnten Bereiche bewirken
keine Steigerung der katalytischen Aktivität. Aus ökonomischen Gründen sollte der
Edelmetallgehalt die minimal notwendige Menge zur Erlangung höchster Kataly
satoraktivität betragen.
Die Kristallstruktur des Titanoxids ist prinzipiell beliebig wählbar, bevorzugt werden
aber die amorphe Titandioxidmodifikation und Anatas. Das Titanoxid muß nicht als
Reinkomponente vorliegen, sondern kann auch als komplexes Material z. B. in
Kombination mit anderen Oxiden vorliegen (z. B. Titanate). Nach unserer Erkenntnis
und ohne die Erfindung in irgendeiner Weise beschränken zu wollen, stellen
besonders die Titanzentren, die chemisch an Silica und/oder anorganischen Silikaten
gebunden sind, die katalytisch aktiven Zentren dar. Weiterhin nehmen wir an, daß in
aktiven Katalysatoren Titan an das Silica oder Silikat in Form des Oxides gebunden
vorliegt [z. B. -Si-O-Ti(=O)-O-Si-].
Die katalytische Aktivität von diesen Materialien scheint nicht linear mit dem
Gesamttitandioxidgehalt gesteigert werden zu können, wenn der Titandioxidgehalt
<4 mol% beträgt. Dies zeigte uns, daß nicht alle Titanzentren über gleiche kataly
tische Aktivität verfügen. Allgemein gesagt ist es wünschenswert, einen Katalysator
mit der maximal möglichen Aktivität, gemessen als selektiv gebildetes Oxidations
produkt pro Zeiteinheit für ein gegebenes Katalysatorgewicht, herzustellen. Die An
wesenheit von Titanatomen, welche katalytisch inert sind oder unerwünschte Neben
reaktionen ermöglichen, z. B. Verbrennen von Wasserstoff oder Bildung anderer
unerwünschte Oxidationsprodukte, führen zu Katalysatorsystemen mit einer nicht
optimalen Katalysatoraktivität.
Die erfindungsgemäßen siliciumhaltigen Trägermaterialien bestehen vorteilhaft aus
50%, bevorzugt aus 75% und besonders bevorzugt aus <90% aus der Dioxidform
des Siliciums. Die erfindungsgemäßen siliciumhaltigen Trägermaterialien können
auch neben Siliciumdioxid und Silikaten andere Oxide, z. B. Aluminiumoxid,
Zirconoxid usw. enthalten. Bevorzugt werden siliciumhaltige Trägermaterialien mit
großer spezifischer Oberfläche und einem hohen Anteil an Oberflächen-Silanol
gruppen verwendet. Die spezifische Oberfläche sollte mindestens 1 m2/g, bevorzugt
im Bereich von 25-700 m2/g betragen.
Bevorzugte siliciumhaltige Trägermaterialien sind synthetisch hergestellte, poröse
Siliciumdioxide wie z. B. Silicagele, precipitated Silica, precipitated Silica Gele,
Silicalite oder ähnliche und Mischungen daraus. Herstellungsmethoden solcher
synthetisch hergestellter Silica sind in "The Colloid Chemistry of Silica and Silicates
(R. G. Iler, Cornell University Press, New York, USA, 1955, Chapter VI)" be
schrieben. Beispiele dieser Silica sind pyrogene Silica, welche durch Umsetzung von
Siliciumtetrachorid oder -fluorid mit Wasserstoff und Sauerstoff erhalten werden
(z. B. Cab-osile der Firma Cabot Corporation oder Aerosile der Firma Degussa).
Kristalline Alumosilikate und Silikalitte, bekannt als Molekularsiebe, können
ebenfalls als siliciumhaltige Trägermaterialien eingesetzt werden. Natürlich
vorkommende kristalline Silicate können ebenfalls verwendet werden, insbesondere
Serpentin (Magnesiumsilikat), Clay-Minerale wie Hectorit (Lithiummagnesium
silikat), Kaolin, Bentonite und Mica-Minerale wie Phlogopit (Aluminium-
Magnesium-Kalium- Silikalit), oder ähnliche Materialien.
Von den erwähnten siliciumhaltigen Trägermaterialien sind die synthetisch her
gestellten amorphen Silica und/oder Silicaliten besonders bevorzugt. Besonders be
vorzugt sind siliciumhaltige Trägermaterialien mit einem SiO2-Anteil von <90%.
Bevorzugt enthalten die Siliciumdioxidgitter der siliciumhaltigen Trägermaterialien
Fremdoxide von Titan und sog. Promotoren, bevorzugt aus der Gruppe 5 des
Periodensystems nach IUPAC (1985), wie Vanadium, Niob und Tantal, besonders
bevorzugt Tantal, der Gruppe 8, besonders bevorzugt Fe, Metalle der Gruppe 1 S. wie
Arsen, Antimon und Bismut, besonders bevorzugt Antimon und Metalle der Gruppe
13, wie Bor, Aluminium, Gallium, Indium und Thallium, besonders bevorzugt
Aluminium und Bor.
Diese Promotoren liegen zum größten Teil homogen, d. h. geringe Dömanenbildung,
vor. Die eingebauten Promotoren "M" liegen in den Mischoxiden hochdispers vor
und sind größtenteils über Element-O-Si Bindungen mit dem anorganischen Polymer
verbunden. Die chemische Zusammensetzung dieser Mischoxide läßt sich über weite
Bereiche variieren. Selbstverständlich können auch mehrere verschiedene
Promotoren eingesetzt werden. Die Promotoren werden bevorzugt in Form von im
jeweiligen Lösungsmittel löslichen Promotor-Verlaufsverbindungen, wie Promotor
salzen oder Promotor-organischen Verbindungen eingesetzt.
In einem calcinierten und trockenen Zustand lassen sich die erfindungsgemäßen
Zusammensetzungen durch folgende empirische Formel beschreiben (die Reste an
der Oberfläche werden hier nicht berücksichtigt):
SiO2.aTiO2.bMOy.
"a" ist typischerweise im Bereich von 0,005 bis 0,08, "b" ist typischerweise im
Bereich von 0,001 bis 0,10, M ist ein Promotor, bevorzugt Ta, Fe, Sb, Al oder
Kombinationen davon, und "y" ist die effektiv notwendige Zahl zur Absättigung der
Valenzen von M (Promotor/Promotoren). Ausgedrückt in Gewichtsprozenten liegt
der Anteil von Titan im Bereich von 0,5-8% und der von M im Bereich von
0,1-10%.
Siliziumalkylgruppen und Siliziumarylgruppen im Sinne der Erfindung sind
sämtliche dem Fachmann bekannten organischen Silane, organischen Silylamine,
organischen Silylamide und deren Derivate, organischen Silazane, organischen
Siloxane und andere siliziumhaltige Verbindungen, wobei die genannten
Verbindungen halogenhaltig sein können und insbesondere teil- oder perfluorierte
Alkyl- und/oder Arylgruppen enthalten können.
Unter Alkyl werden sämtliche dem Fachmann bekannte lineare oder verzweigte
Alkylreste mit 1 bis 50 C-Atomen verstanden, wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl,
n-Butyl, i-Butyl, t-Butyl, n-Pentyl, i-Pentyl, neo-Pentyl, Hexyl und die weiteren
Homologen, deren Aufzählung hier aus Klarheitsgründen nicht mehr erforderlich
erscheint, die ihrerseits wiederum substituiert sein können. Als Substituenten
kommen hierbei Halogen, Nitro, oder auch Alkyl oder Alkoxy, sowie Cycloalkyl
oder Aryl in Frage, wie Benzoyl, Trimethylphenyl, Ethylphenyl, Chlormethyl,
Chlorethyl und Nitromethyl. Ausdrücklich werden unter den Begriff Alkyl auch
Cycloalkyle und Alkylaryle subsummiert, wie Cyclohexan, Benzyl, Vinylbenzyl,
Benzoyl. Bevorzugt werden Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, i-Butyl, t-
Butyl und Benzoyl. In den genannten Alkylresten können einzelne, mehrere oder
auch alle C-Atome durch Si-Atome, O-Atome oder S-Atome ersetzt sein, als Beispiel
hierfür seien Siloxane genannt.
Unter Aryl- werden sämtliche dem Fachmann bekannte ein- oder mehrkernige
Arylreste mit 6 bis 14 C-Atomen verstanden, wie Phenyl, Naphthyl, Fluorenyl, die
ihrerseits wiederum substituiert sein können. Als Substituenten kommen hierbei
Halogen, Nitro, Hydroxyl, oder auch die genannten Alkyl oder Aryl-Reste in Frage,
wie Bromphenyl, Chlorphenyl, Toloyl und Nitrophenyl.
Bevorzugt werden Methyl, Ethyl, Propyl, t-Butyl, Methoxy, Ethoxy, Cyclohexyl,
Benzoyl, Methoxy, Ethoxy, Phenyl, Naphthyl, Chlorphenyl, Toloyl und Nitrophenyl.
Unter Halogen versteht der Fachmann Fluor, Chlor, Brom oder Jod, bevorzugt sind
Fluor, Chlor und Brom.
Spezielle Beispiele von organischen Silanen sind Trialkylsilane, Dihalogen
dialkylsilane, Nitrotrialkylsilane, Halogentrialkylsilane, Halogendialkylarylsilane,
Dialkoxyalkylhalogensilane, Alkylarylhalogensilane, Trialkoxyhalogensilane, Di
alkylarylhaologensilane, Alkyldiarylsilane, Aryldialkylsilane, Diarylsilane, Triaryl
silane und perfluorierte Alkyl- oder Arylalkokylsilane.
Spezielle Beispiele organischer Silylamine sind N-Trialkylsilylimidazole, N-Tri
alkylsilylimidazole, N-Trialkylsilyldialkylamine, N-Trialkylsilylpyrrole, N-Trialkyl
silylpyrrolidine, N-Trialkylsilylpiperidine und Pentafluorphenyldialkylsilylamine.
Spezielle Beispiele organischer Silylamide und ihrer Derivate sind N,O-Bis
trialkylsilylacetamide, N,O-Bistrialkysilyltrihalogenacetamide, N-Trialkylsilylacet
amide, N-Alkyl-N-trialkylsilylacetamide, N-Alkyl-N-trialkylsilyltrihalogenacetamide
und N-Alkyl-N-trialkylsilylperhaloalkylamide.
Spezielle Beispiele organischer Silazane sind Hexaalkyldisilazane, Hepta
alkyldisilazane, 1,1,3,3-Tetraalkyldisilazane, 1,3-bis(Haloalkyl)tetraalkyldisilazane,
1,3-Diaryl-1,1,3,3-tetraalkyldisilazane und 1,3-Diaryltetraalkyldisilazane. Beispiele
anderer siliziumhaltiger Verbindungen sind N-Alkoxy-N,O-Bistrialkylsilyl
trihalogenacetamide, N-Alkoxy-N,O-bistrialkylsilylcarbamate, N,O-Bistrialkylsilyl
sulfamate, Trialkylsilyltrifluormethansulfonat und N,N'-Bistrimethylsilylharnstoff.
Bevorzugte Siliziumalkyl-Reste sind Hexamethyldisilan, Hexamethyldisiloxan,
Hexamethyldisilazan und N-Methyl-N-trimethylsilyltrifluoracetamid.
Unter fluorhaltigen Alkylen und Arylen werden sämtliche beschriebenen Alkyl und
Arylreste verstanden, die mindestens einen Fluorsubstituenten tragen. Insbesondere
Alkyl- oder Arylreste mit einem, zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht und neun
Fluorsubstituenten oder perfluorierte Alkyl- und Arylreste. Besonders bevorzugt
werden Hexafluor-2-methylisopropanol, 1-Chlor-3-fluorisopropanol, 3-Chlor-4-
fluorbenzoylchlorid, 2-Chor-4-fluorbenzoesäure, Chlor- und Brompentafluorethan,
Bromperfluorheptan, Hexafluorglutarsäure oder Pentafluorbenzoylchlorid oder
Perfluoroctyltriethoxysilan eingesetzt.
Vorzugsweise sind mehr als 10% der funktionellen Gruppen auf der Oberfläche
(z. B. OH-Gruppen) der geträgerten Zusammensetzung mit den Siliziumalkyl-,
Siliziumaryl-, fluorhaltigen Alkyl- oder fluorhaltigen Arylgruppen belegt, insbe
sondere mehr als 50%, ganz besonders mehr als 80%.
Die Polarität der Oberfläche der erfindungsgemäßen geträgerten Zusammensetzung
wird durch die hydrophobe Belegung der Oberfläche gezielt eingestellt.
Obwohl die Morphologie und Partikelgröße der erfindungsgemäßen geträgerten Zu
sammensetzung über weite Bereiche variierbar zu sein scheint, haben wir gefunden,
daß es besonders günstig ist, homogene Mischoxide mit hohen Oberflächen <20 m2/g,
bevorzugt <50 m2/g zu verwenden. Die chemische Flexibilität in der
chemischen Zusammensetzung, wie Art des Metalls, Metallgehalt und Alkylgehalt
sowie die gezielte Einflußnahme auf Katalysatoraktivität, -selektivität und -standzeit
durch Behandlung der Oberfläche zur Verhinderung von Desaktivierung/Blockierung
zeichnen diese geträgerte Zusammensetzung aus.
Die gestellten Aufgaben werden weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung einer
geträgerten Zusammensetzung enthaltend Gold- und/oder Silberpartikel, Titanoxid
und einen siliziumhaltigen Träger, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberfläche
des siliziumhaltigen Trägers und/oder der geträgerten Zusammensetzung behandelt,
gelöst.
Unter Behandeln wird im Sinne der Erfindung insbesondere das Aufbringen von
Gruppen ausgewählt aus Siliziumalkyl-, Siliziumaryl-, fluorhaltigen Alkyl- oder
fluorhaltigen Arylgruppen auf die Oberfläche der geträgerten Zusammensetzung
verstanden, wobei die Gruppen kovalent oder koordinativ an die funktionellen
Gruppen (z. B. OH-Gruppen) auf der Oberfläche gebunden vorliegen. Allerdings ist
auch jede andere Oberflächenmodifikation ausdrücklich im Umfang der Erfindung
eingeschlossen.
Die Behandlung erfolgt bevorzugt mit siliziumorganischen und/oder fluorhaltigen
siliziumorganischen bzw. organischen Verbindungen, wobei die siliziumorganischen
Verbindungen bevorzugt sind.
Als siliziumorganischen Verbindungen kommen alle dem Fachmann bekannten
Silylierungsmittel in Frage, wie organische Silane, organische Silylamine, organische
Silylamide und deren Derivate, organische Silazane, organische Siloxane und andere
siliziumorganische Verbindungen, die selbstverständlich auch in Kombination
eingesetzt werden können. Ebenfalls sind unter siliziumorganischen Verbindungen
ausdrücklich auch Verbindungen aus Silzium und teil- oder perfluorierten
organischen Resten subsummiert.
Spezielle Beispiele organischer Silane sind Chlorotrimethylsilan, Dichloro
dimethylsilan, Chlorobromdimethylsilan, Nitrotrimethylsilan, Chlortrimethylsilan,
Ioddimethylbutylsilan, Chlordimethylphenylsilan, Chlordimethylsilan, Dimeihyl-n-
propylchlorsilan, Dimethylisopropylchlorsilan, t-Butyldimethylchlorsilan, Tripropyl
chlorsilan, Dimethyloctylchlorsilan, Tributylchlorsilan, Trihexylchlorosilan, Di
methylethylchlorsilan, Dimethyloctadecylchlorsilan, n-Butyldimethylchlorsilan,
Brommethyldimethylchlorsilan, Chlormethyldimethylchlorsilan, 3-Chlorpropyldime
thylchlorsilan, Dimethoxymethylchlorsilan, Methylphenylchlorsilan, Triethoxy
chlorsilan, Dimethylphenylchlorsilan, Methylphenylvinylchlorsilan, Benzyldimethyl
chlorsilan, Diphenylchlorsilan, Diphenylmethylchlorsilan, Diphenylvinylchlorsilan,
Tribenzylehlorsilan und 3-Cyanopropyldimethylchlorsilan.
Spezielle Beispiele organischer Silylamine sind N-Trimethylsilyldiethylamin, Penta
fluorphenyldimethylsilylamin inclusive N-Trimethylsilylimidazole, N-t-Butyldi
methylsilylimidazol, N-Dimethylethylsilylimidazol, N-Dimethyl-n-propylsilylimida
zol, N-Dimethylisopropylsilylimidazol, N-Trimethylsilyldimethylamin, N-Trime
thylsilylpyrrol, N-Trimethylsilylpyrrolidin, N-Trimethylsilylpiperidin und 1-Cyano
ethyl(diethylamino)dimethylsilan.
Spezielle Beispiele organischer Silylamide und ihrer Derivate sind N,O-Bis
trimethylsilylacetamid, N,O-Bistrimethylsilyltrifluoracetamid, N-Trimethylsilylacet
amid, N-Methyl-N-trimethylsilylacetamid, N-Methyl-N-trimethylsilyltrifluoracet
amid, N-Methyl-N-trimethylsilylheptafluorbutyramid, N-(t-butyldimethylsilyl)-N-tri
fluoracetamid und N,O-bis(diethylhydrosilyl)trifluoracetamid.
Spezielle Beispiele organischer Silazane sind Hexamethyldisilazan, Heptamethyl
disilazan, 1,1,3,3-Tetramethyldisilazan, 1,3-bis(Chlormethyl)tetramethyldisilazan,
1,3-Divinyl-1,1,3,3-tetramethyldisilazan und 1,3-Diphenyltetramethyldisilazan.
Beispiele anderer siliziumorganischer Verbindungen sind N-Methoxy-N,O-Bis
trimethylsilyltrifluoracetamid, N-Methoxy-N,O-bistrimethylsilycarbamat, N,O-Bis
trimethylsilylsulfamat; Trimethylsilyltrifluormethansulfonat und N,N'-Bistrimethyl
silylurea.
Beispiele fluorierter siliziumorganischer Verbindungen sind Perfluoroctyltri
ethoxysilan, Perfluorpentyltriethoxysilan oder Perfluorpentyltributoxysilan.
Bevorzugte Silylierungsreagenzen sind Hexamethyldisilazan, Hexamethyldisiloxan,
N-Methyl-N-(Trimethylsilyl)-2,2,2-trifluoracetamid MSTFA und Trimethylchlor
silan.
Die Katalysatoren können auch vor der Silylierung zur Erhöhung der Oberflächen
OH-Gruppen einer Wasserbehandlung unterzogen werden. Wasserbehandlung be
deutet in dem Zusammenhang, daß vor dem Silylierungsverfahrenschritt der Kataly
sator mit flüssigem Wasser oder einer wäßrigen gesättigten Ammoniumchlorid-
Lösung und/oder Ammoniumnitrat-Lösung, oder Ionenaustausch mit mehrwertigen
Kationen (wäßrige Lösungen von z. B. Ca2+ in oder La3+) Kontakt gebracht wird,
z. B. der Katalysator wird in dem Behandlungsmedium suspendiert und nachfolgend
getrocknet (z. B. bei 300°C), oder der Katalysator wird mit Wasserdampf bei <100°C,
bevorzugt bei 150-450°C, für 1-6 h behandelt. Besonders bevorzugt wird der
Katalysator bei 200-450°C für 2-5 h mit Wasserdampf behandelt. Anschließend wird
das überschüssige Wasser entfernt. Wasser oder die verwendeten wäßrigen
Salzlösungen können auch durch Sprühimprägnierung auf den Katalysatorträger
aufgebracht werden. Insbesondere bei Formkörper-Trägermaterialien wird die
Sprühimprägnierung bevorzugt.
Als fluorhaltige organische Verbindungen kommen sämtliche dem Fachmann
bekannten Alkyl und Arylreste in Betracht, die mindestens einen Fluorsubstituenten
tragen. Insbesondere Alkyl- oder Arylreste mit einem, zwei, drei, vier, fünf, sechs,
sieben, acht und neun Fluorsubstituenten oder perfluorierte Alkyl- und Arylreste.
Besonders bevorzugt werden Hexafluor-2-methylisopropanol, 1-Chlor-3-fluoriso
propanol, 3-Chlor-4-fluorbenzoylchlorid, 2-Chor-4-fluorbenzoesäure, Chlor- und
Brompentafluorethan, Bromperfluorheptan, Hexafluorglutarsäure oder Pentafluor
benzoylchlorid eingesetzt.
Die Reihenfolge der Behandlung der erfindungsgemäßen geträgerten Zusammen
setzung ist nicht limitiert.
Die Präparation kann durch Aufbringen von Titandioxid auf Siliciumdioxid mit
nachträglicher Aufbringung von Gold und/oder Silber und Behandlung der Ober
fläche erfolgen, oder Titan- und Gold- und/oder Silberzentren können gleichzeitig
auf siliciumhaltige Träger aufgebracht und die Oberfläche behandelt werden, oder
Titan-, Gold- und Siliciumkomponenten werden in einer co-Polykondensation
gleichzeitig umgesetzt und die Oberfläche behandelt, oder Titan- und Silicium
komponenten werden in einer co-Polykondensation gleichzeitig umgesetzt, mit Gold
belegt und die Oberfläche behandelt oder Titanzentren werden chemisch auf
Siliciumdioxid gebunden, die Oberfläche behandelt und nachträglich mit Gold
und/oder Silber belegt.
Das Titanoxid kann auf siliciumhaltige Trägermaterialien in situ aus Titan-Vor
läuferverbindungen erzeugt werden z. B. durch Tränkung aus überstehender Lösung
(Imprägnierung) und/oder mit einer dem Aufnahmevermögen des Trägers
entsprechenden Lösungsmittelmenge (Incipient-wettness), Fällung (Deposition
precipitation), vapor-deposition, sowie mittels Sol-Gel-Technik, aber genausogut
auch mit Kolloidmethoden, Sputtern oder Aufdampfen aufgebracht werden. Bei den
Tränkungen werden vorteilhaft Titan-Vorläuferverbindungen eingesetzt, welche mit
den Oberflächen-Silanolgruppen reagieren können.
Titanoxid wird auch durch Grafting mit Titanocenchlorid auf siliziumhaltige Träger,
evtl. in Gegenwart einer Base, in situ erzeugt. Hierbei reagiert das (η5-C5H2)2TiCl2
mit terminalen Oberflächen-Silanolgruppen. Nach Grafting, Trocknung und
Calcinierung bilden vermutlich (=SiO)3TiOH-Komplexe die dominierenden Titan
spezies. Die titanhaltigen Trägermaterialien werden im nächsten Schritt mit Gold
und/oder Silber belegt.
Geeignete Titan-Vorläuferverbindungen als katalytische Titanspezies sind aus dem
Stand der Technik bekannt, wie lösliche Titansalze (z. B. Titanhalogenide, -nitrate,
-sulfate, Titansalze von anorganischen oder organischen Säuren und Titansäureester).
Bevorzugt werden Titanderivate wie Tetralkyltitanate, mit Alkylgruppen von C1-C6
wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, tert-Butyl usw., oder andere
organische Titanspezies wie Titanylacetyacetonat, Dicyclopentadienlltitandichlorid
verwendet. Tetra-n-butylorthotitanat, Titanacetylacetonat, Titanocendichlorid und
Titantetrachlorid sind bevorzugte Titan-Vorläuferverbindungen.
Die Generierung von -Si-O-Ti- Gruppen gelingt auch vorteilhaft durch gleichzeitige
Polymerisation von geeigneten Si- und Ti-Precursorn, z. B. Co-Polykondensationen
zu amorphen Xerogelen oder Aerogelen, oder nach Hydrothermalsynthese, zu
kristallinen Mischoxidzeolithen, -silikaliten oder ähnliche. Der Sol-Gel-Prozeß
basiert auf der Polykondensation hydrolysierter, kolloidal gelöster Metallkompo
nentengemische (Sol) unter Bildung eines amorphen, dreidimensionalen Netzwerkes
(Gel). Zur Verdeutlichung hierfür dient das nachfolgende Schema:
Geeignete Vorläuferverbindungen der entsprechenden Trägermaterialien sind z. B.
Alkoxide von Silicium und/oder Titan. Typische molare H2O/hydrolysierbare-Si(Ti)-
Spezies-Verhältnisse liegen z. B. bei 4-32, bevorzugt bei 6-12. In die kolloidalen
Silicasole können auch geeignete Katalysatorträgermaterialien, wie pyrogene Silica
Aerosile und/oder Cab-osile, suspendiert bzw. dispergiert werden. Zusätzliche
kondensierbare, multifunktionelle Molekülen, wie z. B. monomere oder polymere
Glykole, Metallchloride oder ähnliche Verbindungen können auch zum gezielten
"Materialdesign" eingesetzt werden. Ähnlich den hydrolysierten Alkoxymetallaten
lassen sich diese Polymere in das Gel-Netzwerk homogen einbauen. Die Zugabe von
hydrophoben organischen Lösungsmitteln zu der Sol-Phase (dispergierte Phase), z. B.
monofunktionelle aliphatische Alkohole mit mehr als acht Kohlenstoffatomen,
bewirkt Emulsionsbildung (dispergierte Sol-Phase und homogene
Emulsionsflüssigkeit) und damit die Möglichkeit, das Material weiter
maßzuschneidern.
Von nahezu allen Metall-, Halbmetall- oder Nichtmetalloxiden sind Gele bekannt
und viele davon sind zur Herstellung von Xerogelen und Aerogelen geeignet. Der
Sol-Gel-Prozeß bietet die Möglichkeit der Darstellung von u. a. äußerst homogenen
SiO2-TiO2-Mischoxiden. Bei hohen Titangehalten (<15 Gew.-%) kommt es aufgrund
der bevorzugten Ti-O-Ti-Homokondensation zur Domänenbildung, in denen die aus
dem reinen TiO2 bekannte; oktaedrische Ti-Koordination vorherrscht. Bei verdünnten
Systemen "TiO2 in SiO2" («15 Gew.-% Ti) kommt es zu einer homogenen, d. h.
domänenfreien Ti-Verteilung, wobei die vom Silicium bevorzugte Vierfachkoordina
tion auch vom Titan angenommen wird. Diese Zentren sind vermutlich die er
wähnten katalytisch aktiven Zentren (site-isolated centers).
Wir haben gefunden, daß sich die Selektivität und vor allem die Aktivität bei der
beschriebenen heterogenen Katalyse gesteigert werden kann, wenn die katalytisch
aktiven Metallzentren in eine definierte Porenarchtiktur eingebaut werden. Neben
reaktionen können so unterdrückt werden. So stellen SiO2-TiO2-Mischoxide, die nach
einem homogenen Copolykondensationsverfahren hergestellt wurden, nach Edel
metallbelegung - Gold und/oder Silber - hochaktive, selektive Oxidationskatalysa
toren dar. Nach der Behandlung der Oberfläche zeigen solche Systeme bei
excellenten Selektivitäten technisch interessante Katalysatorstandzeiten von vielen
Monaten und länger.
Überraschend haben wir weiterhin gefunden, daß Katalysatorsysteme auf Sol-Gel-
Basis - basisch oder sauer katalysierte Hydrolyse, Kondensation und Gelierung
(Copolykondensation) von geeigneten Silicium-, Titan- und zusätzlichen Promotor
precursorn, nach Behandlung der Oberfläche hochselektive und aktive Oxidätions
katalysatoren darstellen. Die in das Siliciumdioxidgitter eingebauten Fremdoxide von
Titan und den bereits beschriebenen Promotoren liegen zum größten Teil homogen,
d. h. geringe Dömanenbildung, vor. Die eingebauten Elemente liegen in den
amorphen Mischoxiden hochdispers vor und sind größtenteils über Element-O-Si
Bindungen mit dem anorganischen Polymer verbunden. Die chemische Zusammen
setzung dieser amorphen Mischoxide läßt sich bei der Herstellung im Sol-Gel-Prozeß
über weite Bereiche steuern. Besonders bevorzugt werden die so erhaltenen Kataly
satoren vor der Oxidationsreaktion in Kontakt mit organischen Silylierungreagenzien
gebracht. Diese auf SiO2-Basis hergestellten amorphen Mischoxide stellen
excellente, hochselektive Redox-Katalysatoren dar.
Der Sol-Gel-Prozeß liefert nach Gold und/oder Silberaufbringung und einer Behand
lung der Oberfläche die erfindungsgemäßen amorphen, mikro- oder makroporösen
geträgerten Zusammensetzungen.
Die gewünschte Oberflächenpolarität kann aber nicht nur durch Kontakt der ge
trägerten Zusammensetzungen mit organischen Silylierungsreagenzien eingestellt
werden, sondern weiterhin vorteilhaft durch Hydrolyse von z. B. Alkyl(Aryl)silanen,
und/oder fluorhaltigen Alkyl(Aryl)silanen des Typs RSi(OR')3 oder die des Typs
RTi(OR')3 zu alkyl(aryl)modifizierten Kieselgelen bzw. titanhaltigen Kieselgelen.
Durch Wahl des Alkyl- oder Arylrestes R am Silicium läßt sich die Hydrophobie
bzw. die Lipophilie in den Poren und auf der Oberfläche der Kieselgelteilchen
einstellen. Kieselgele dieser Art dienen als geeignete Matrize für Metall-
Katalysatoren.
Die Copolykondensation von geeigneten Silicium-, Titan- und Promotorspezies ist
ein weiterer bevorzugter Weg zur Herstellung der erfindungsgemäßen geträgerten
Zusammensetzungen. Geeignete Si-, Ti- und Promotorspezies sind prinzipiell alle
entsprechenden dem Fachmann bekannten Verbindungen, die als Precursor für die
entsprechenden Oxide oder Hydroxide dienen können. Die Polykondensation kann
hierbei in wäßrigen Systemen oder in organischen Systemen erfolgen.
Als geeignete Siliciumspezies werden bevorzugt neben Silicagelen, Silicasolen und
Wassergläser, Tetraalkylorthosilikate wie Tetramethylorthosilikat, Tetraethylortho
silikat eingesetzt. Zur gezielten Einstellung der Oberflächenpolarität werden vor
teilhaft kleine Mengen Tetraalkylorthosilikate durch Trialkoxysiliciumspezies wie
z. B. Trialkoxymethylsilan, und/oder Trialkoxyphenyl-silan, und/oder Trialkoxy
chlorsilan substituiert. Neben monomeren Alkoxiden können genausogut polymere
Systeme, wie z. B. Poly(diethoxysiloxan), Poly-(Diethoxysiloxan-s-butylaluminat)
usw. eingesetzt werden.
Analog werden als geeignete Titanspezies bevorzugt Titansalze (z. B. Titan
halogenide, -nitrate, -sulfate, Ammoniumhexafluorotitanat) eingesetzt. Weiterhin
bevorzugt werden Titanderivate wie Tetralkyltitanate, mit Alkylgruppen von C1-C6
wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, tert-Butyl, oder andere organische
Titanspezies wie Titanylacetylacetonat, Dicyclopentadienyltitandichlorid eingesetzt.
Tetra-n-butyl orthotitanat ist eine weitere bevorzugte Titankomponente. Werden
kleine Mengen Tetraalkylorthotitanat durch Trialkoxytitanspezies, z. B. Trialkoxy
phenyltitan, substituiert, kann die Oberflächenpolarität beliebig eingestellt werden.
Neben monomeren Alkoxiden können genausogut polymere Systeme, wie z. B.
Poly(diethoxysiloxan-Ethyltitanat), Poly-(Octylenglycoltitanat) usw. eingesetzt
werden.
Ähnlich sind auch alle Derivate von Promotoren geeignet, die als Vorstufen bzw.
Quelle von Promotor-Oxiden, insbesondere Tantaloxid, Antimonoxid, Eisenoxid und
Aluminiumoxid geeignet sind. Obwohl alle Salze wie z. B. Halogenide, Nitrate und
Hydroxide verwendet werden können, werden die Alkoxide, z. B. Ethoxid, Propoxid
usw. dieser Metalle bevorzugt.
Co-Fällungen oder Co-gele von Si, Ti und Promotor, Si und Ti, Si und Promotor, Ti
und Promotor, oder Si und Promotor können auch als Startreagenzien eingesetzt
werden.
Besonders für technische Großanwendungen sind Produkte aus Verfahren auf
Wasserglasbasis (eine wäßrige Natriumsilikatlösung wird z. B. nach Ionenaustausch
im Sauren hydrolysiert) oder Verfahren, in dem Kieselsäure in ein organisches
Lösungsmittel überführt und in diesem Medium dann wahlweise sauer, neutral oder
basisch katalysiert kondensiert wird besonders geeignet.
Besagte Produkte (Wassergläser) sind weitere bevorzugte Ausgangsstoffe im Sinne
der Erfindung.
Überraschend haben wir gefunden, daß die geträgerten Zusammensetzungen im
Vergleich zu bisher bekannten Katalysatorsystemen zur katalytischen Oxidation von
Alkanen und Alkenen eine um mehrere Größenordnung höhere katalytische Aktivität
und Katalysatorstandzeit haben.
Daher stellt die Verwendung der erfindungsgemäßen geträgerten Zusammen
setzungen zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen eine weitere Lösung der gestellten
Aufgabe und auch einen weiteren Gegenstand der Erfindung dar.
Die erfindungsgemäße Verwendung kann grundsätzlich auf alle Kohlenwasserstoffe
angewendet werden. Unter dem Begriff Kohlenwasserstoff werden ungesättigte oder
gesättigte Kohlenwasserstoffe wie Olefine oder Alkane verstanden, die auch Hetero
atome wie N, O, P, S oder Halogene enthalten können. Die zu oxidierende orga
nische Komponente kann acyklisch, monocyklisch, bicyklisch oder polycyklisch und
kann monoolefinisch, diolefinisch oder polyolefinisch sein. Bei organischen
Komponenten mit zwei oder mehreren Doppelbindungen können die Doppelbin
dungen konjugiert und nichtkonjugiert vorliegen. Bevorzugt werden Kohlenwasser
stoffe oxidiert, aus denen solche Oxidationsprodukte gebildet werden, deren Partial
druck niedrig genug liegt, um das Produkt ständig vom Katalysator zu entfernen.
Bevorzugt sind ungesättigte und gesättigte Kohlenwasserstoffe mit 2 bis 20,
vorzugsweise 2 bis 10 Kohlenstoffatomen, insbesondere Ethen, Ethan, Propen,
Propan, Isobutan, Isobutylen, 1-Buten, 2-Buten, cis-2-Buten, trans-2-Buten, 1,3-
Butadien, Penten, Pentan, 1-Hexen, 1-Hexan, Hexadiene, Cyclohexen, Benzol.
Die geträgerten Zusammensetzungen können hierbei in jeder beliebigen physika
lischen Form für Oxidationsreaktionen eingesetzt werden, z. B. gemahlene Pulver,
spherische Partikel, Pellets, Extrudate, Granulate usw.
Eine bevorzugte Verwendung ist die Gasphasenreaktion von Sauerstoff mit Wasser
stoff in Gegenwart der erfindungsgemäßen geträgerten Zusammensetzungen. Hierbei
werden selektiv aus Olefinen Epoxide, aus gesättigten sekundären Kohlenwasser
stoffen Ketone und aus gesättigten tertiären Kohlenwasserstoffen Alkohole erhalten.
Die Katalysatorstandzeiten liegen je nach verwendetem Edukt bei vielen Monaten
und länger.
Das relative molare Verhältnis von Kohlenwasserstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und
optional einem Verdünnungsgas ist in weiten Bereichen variierbar.
Die molare Menge des eingesetzten Kohlenwasserstoffs in Bezug auf die Gesamt
molzahl aus Kohlenwasserstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Verdünnungsgas kann
in weiten Bereichen variiert werden. Bevorzugt wird ein Überschuß von Kohlen
wasserstoff, bezogen auf eingesetzten Sauerstoff (auf molarer Basis) eingesetzt. Der
Kohlenwasserstoffgehalt liegt typischerweise größer 1 mol% und kleiner als
60 mol%. Bevorzugt werden Kohlenwasserstoffgehalte im Bereich von 5-35 mol%,
besonders bevorzugt von 10-30 mol% eingesetzt. Mit steigenden Kohlenwasser
stoffgehalten wird die Produktivität gesteigert und die Wasserstoffverbrennung
gesenkt.
Der Sauerstoff kann in verschiedenster Form eingesetzt werden, z. B. molekularer
Sauerstoff, Luft und Stickstoffoxid. Molekularer Sauerstoff wird bevorzugt. Der
molare Sauerstoffanteil - in Bezug auf die Gesamtmolzahl aus Kohlenwasserstoff,
Sauerstoff, Wasserstoff und Verdünnungsgas - kann in weiten Bereichen variiert
werden. Bevorzugt wird der Sauerstoff im molaren Unterschuß zum Kohlenwasser
stoff eingesetzt. Bevorzugt werden im Bereich von 1-6 mol%, besonders bevorzugt
6-15 mol% Sauerstoff eingesetzt. Mit steigenden Sauerstoffgehalten wird die
Produktivität gesteigert. Aus sicherheitstechnischen Gründen ist ein Sauerstoffgehalt
von kleiner 20 mol% zu wählen.
In Abwesenheit von Wasserstoff zeigen die erfindungsgemäßen geträgerten Zu
sammensetzungen nur sehr geringe Aktivität und Selektivität. Bis 180°C ist die
Produktivität in Abwesenheit von Wasserstoff extrem gering, bei Temperaturen
größer 200°C werden neben Partialoxidationsprodukten große Mengen Kohlendioxid
gebildet. Es kann jede bekannte Wasserstoffquelle genutzt werden, wie z. B. moleku
larer Wasserstoff aus Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen und Alkoholen. In
einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Wasserstoff auch in einem
vorgeschalteten Reaktor insitu erzeugt werden, z. B. durch Dehydrierung von Propan
oder Isobutan oder Alkoholen wie z. B. Isobutanol. Der Wasserstoff kann auch als
Komplex-gebundene Spezies, z. B. Katalysator-Wasserstoffkomplex, in das Reak
tionssystem eingeführt werden. Der molare Wasserstoffanteil - in Bezug auf die Ge
samtmolzahl aus Kohlenwasserstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Verdünnungsgas -
kann in weiten Bereichen variiert werden. Typische Wasserstoffgehalte liegen bei
größer als 0,1 mol%, bevorzugt bei 5-80 mol%, besonders bevorzugt bei
10-65 mol%. Mit steigenden Wasserstoffgehalten wird die Produktivität gesteigert.
Zu den essentiell notwendigen oben beschriebenen Eduktgasen kann optional auch
ein Verdünnungsgas, wie Stickstoff, Helium, Argon, Methan. Kohlendioxid oder
ähnliche, sich inert verhaltende Gase, eingesetzt werden. Auch Mischungen der
beschriebenen Inertkomponenten können eingesetzt werden. Der Inertkomponenten
zusatz ist zum Transport der freiwerdenden Wärme dieser exothermen Oxidations
reaktion und aus sicherheitstechnischen Gesichtspunkten günstig. Wird der erfin
dungsgemäße Prozeß in der Gasphase durchgeführt, werden bevorzugt gasförmige
Verdünnungskomponenten wie z. B. Stickstoff, Helium, Argon. Methan und evtl.
Wasserdampf und Kohlendioxid verwendet. Wasserdampf und Kohlendioxid sind
zwar nicht völlig inert, bewirken aber bei sehr kleinen Konzentrationen (< 2 Vol.-%)
einen positiven Effekt. Bei Ausführung der Erfindung in der Flüssigphase wird
zweckmäßigerweise eine oxidationsstabile und thermisch stabile inerte Flüssigkeit
gewählt (z. B. Alkohole, Polyalkohole, Polyether, halogenierte Kohlenwasserstoffe).
Die erfindungsgemäßen geträgerten Zusammensetzungen sind auch in der Flüssig
phase zur Oxidation von Kohlenwasserstoffe geeignet. Sowohl in Gegenwart von
organischen Hydroperoxiden (R-OOH) werden Olefine in der Flüssigphase hoch
selektiv an den beschriebenen Katalysatoren zu Epoxiden umgesetzt, als auch in
Gegenwart von Sauerstoff und Wasserstoff werden Olefine in der Flüssigphase hoch
selektiv an den beschriebenen Katalysatoren zu Epoxiden umgesetzt.
Wir haben gefunden, daß die oben beschriebenen selektive Oxidationsreaktion eine
große Katalysator-Struktursensitivität aufweist. Bei Vorliegen von nanodispersen
Gold- und/oder Silberpartikeln in der geträgerten Zusammensetzung wurde eine
Erhöhung der Produktivität zum selektiven Oxidationsprodukt beobachtet.
Das räumlich enge Zusammenspiel von Gold und/oder Silber und Titanoxid
(perimetric interface) arbeitet besonders effizient, d. h. es werden excellente
Epoxidationskatalysatoren in Gegenwart von Sauerstoff und Wasserstoff erhalten,
wenn titanhaltige amorphe oder kristalline Mischoxidträgermaterialien, z. B. SiO2-
TiO2-Mischoxide, eingesetzt werden. Die Aktivität der Gold-Titandioxid-
Siliciumdioxid-Katalysatoren und die Katalysatorstandzeit läßt sich durch den
Einbau kleiner Mengen Promotoren, z. B. Fremdmetalle, vor allem durch Einbau von
Tantal und/oder Eisen und/oder Antimon und/oder Aluminium, weiter steigern. Die
erfindungsgemäße Behandlung der Oberfläche bewirkt letztendlich die Realisierung
technisch interessanter Katalysatorstandzeiten von vielen Monaten. Diese
Mischoxide lassen sich verfahrenstechnisch problemlos und kostengünstig im
technischen Maßstab herstellen.
Die charakteristischen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand
von Katalysatorpräparationen und katalytischen Testreaktion in den folgenden Bei
spielen veranschaulicht.
Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht auf die nachfolgenden Beispiele
beschränkt ist.
Es wurde ein Metallrohrreaktor mit 10 mm Innendurchmesser und 20 cm Länge
eingesetzt, welcher mittels eines Ölthermostaten temperiert wurde. Der Reaktor
wurde mit einem Satz von vier Massendurchflußregler (Kohlenwasserstoff, Sauer
stoff, Wasserstoff, Stickstoff) mit Eduktgasen versorgt. Zur Reaktion wurden 0,5 g
pulverförmiger Katalysator bei 150°C und 3 bar Überdruck vorgelegt. Die Eduktgase
wurden von oben in den Reaktor eindosiert. Die Standardkatalysatorbelastung lag bei
4 l/g Kat./h. Als "Standardkohlenwasserstoff" wurde Propen beispielhaft ausge
wählt. Zur Durchführung der Oxidationsreaktionen wurde ein mit Stickstoff ange
reicherter Gasstrom, nachfolgend immer als Standard-Gaszusammensetzung bezeich
net, ausgewählt: N2/H2/O2/C3H6 : 15/63/10/12%. Die Reaktionsgase wurden
gaschromatographisch quantitativ analysiert. Die gaschromatographische Auf
trennung der einzelnen Reaktionsprodukte erfolgte durch eine kombinierte
FID/WLD-Methode, bei der drei Kapillarsäulen durchlaufen werden:
FID: HP-Innowax, 0,32 mm Innendurchmesser, 60 m lang, 0,25 µ Schichtdicke.
WLD: Hintereinanderschaltung von
HP-Plot Q, 0,32 mm Innendurchmesser, 30 m lang, 20 µ Schichtdicke
HP-Plot Molsieve 5 A, 0,32 mm Innendurchmesser, 30 m lang, 12 µ Schicht dicke.
FID: HP-Innowax, 0,32 mm Innendurchmesser, 60 m lang, 0,25 µ Schichtdicke.
WLD: Hintereinanderschaltung von
HP-Plot Q, 0,32 mm Innendurchmesser, 30 m lang, 20 µ Schichtdicke
HP-Plot Molsieve 5 A, 0,32 mm Innendurchmesser, 30 m lang, 12 µ Schicht dicke.
Dieses Beispiel beschreibt die Präparation eines amorphen Katalysatorträgers,
bestehend aus den Oxiden von Silicium und Titan, welcher mit Goldteilchen belegt
und nachfolgend oberflächenmodifiziert wird.
26 g Tetraethoxysilan (120 mmol) (TEOS, Firma Acros, 98%ig) wurden in 22,5 ml
i-Propanol gegeben, durchmischt, mit 2,25 g 0,1 n HCl versetzt und 2 h gerührt. In
diese Lösung wurden 1,06 g Tetrabutoxytitan (3,1 mmol) (Firma Acros, 98%ig)
tropfenweise dosiert und 15 min gerührt. Der homogene Ansatz wurde mit 23 ml 2%ige
wäßriger NH3-Lösung versetzt. Der Ansatz erreichte nach ca. 5 min den
Gelpunkt, wurde 10 h stehengelassen und bei 120°C zunächst eine Stunde bei
Normaldruck, dann ca. 20 h im Vakuum (50 mbar) getrocknet und 3 h bei 300°C
calciniert.
2,5 g Substanz wurde mit 0,5 g 1, 1,1,3,3,3-Hexamethyldisilazan (3 mmol) (Firma
Merck) in trockenem Hexan unter Rühren vorgelegt, 2 h bei 60°C gerührt, der
Feststoff abfiltriert, mit 50 ml Hexan gewaschen und unter Vakuum bei 120°C 5 h
getrocknet. Die Oberflächenmodifizierung durch Silylierung wurde wiederholt.
4 g titanhaltiger Träger wurden in 35 ml Methanol vorgelegt, mit 70 mg HAuCl4
(0,178 mmol) (Firma Merck) in 5 ml Methanol versetzt, mit 1,1 ml 2 n 142CO3 auf pH
8 eingestellt, 30 min gerührt, 4 ml Mononatriumcitratlösung zugegeben, der pH-Wert
erneut mit 2 n K2CO3 auf pH 8 eingestellt und 120 min gerührt. Anschließend
erfolgte eine Feststoffabtrennung, es wurde 3 × mit je 40 ml Wasser gewaschen, 10 h
bei 120°C bei Normaldruck getrocknet und 3 h bei 350°C calciniert. Der Goldgehalt
des Gold-Titan-Siliciumkatalysators betrug 0,52 Gew.-% (ICP-Analyse).
In einem Test gemäß der Testvorschrift wurde bei konstanten PO-Selektivitäten von
94% über 300 h stationäre Propenumsätze von 1,5% erreicht.
Dieses Beispiel beschreibt die Präparation eines amorphen Katalysatorträgers,
bestehend aus den Oxiden von Silicium, Titan und Tantal, welcher
oberflächenmodifiziert wurde und nachfolgend mit Gold belegt werde. Die
Katalysatorpräparation erfolgt analog Beispiel 1, aber 60 min nach der Zugabe von
Tetrabutoxytitan wurde der homogene Ansatz mit 765 mg (1,86 mmol) Ta(OEt)5
(Firma Chempur) versetzt, 15 min gerührt und analog Beispiel 1 geliert, aufgearbeitet
und modifiziert.
In einem Test gemäß der Testvorschrift wurden bei konstanten PO-Selektivitäten von
94% über 300 h stationäre Propenumsätze von 2,2% erreicht.
Dieses Beispiel beschreibt die Präparation eines amorphen Katalysatorträgers,
bestehend aus den Oxiden von Silicium, Titan und Tantal, welcher
oberflächenmodifiziert wurde und nachfolgend mit Gold belegt wurde. Die
Katalysatorpräparation erfolgt analog Beispiel 2, aber der goldbelegte
Katalysatorträger wird vor der Silylierung bei 300°C für 3 h mit Wasserdampf
behandelt, anschließend 2 h bei 300°C getrocknet und jetzt analog Beispiel 1
silyliert.
In einem Test gemäß der Testvorschrift wurden bei konstanten PO-Selektivitäten von
94% über 200 h stationäre Propanumsätze von 2,4% erreicht.
Dieses Beispiel beschreibt die Präparation eines hydrophoben, amorphen Kataly
satorträgers, bestehend aus den Oxiden von Silicium und Titan, welcher mit Gold
teilchen belegt und nachfolgend oberflächenmodifiziert wird. Die Katalysatorpräpa
ration erfolgte analog Beispiel 1, aber 5 mol.-% TEOS wurden durch Triethoxy
methylsilan (Firma Merck) ersetzt. Als Calcinierungstemperatur wurden einheitlich
230°C gewählt.
In einem Test gemäß der Testvorschrift wurden bei konstanten PO-Selektivitäten von
94% über 300 h stationäre Propenumsätze von 1,9% erreicht.
Dieses Beispiel beschreibt die Präparation eines Katalysatorträgers, bestehend aus
den Oxiden von Silicium und Titan, welcher oberflächenmodifiziert wurde und
anschließend mit Gold belegt wurde. Der Si- und Ti-haltige Katalysatorträger wird
durch Imprägnierung von Silica mit Titanocendichlorid erhalten.
20 g Aerosil 380 (Degussa) werden in 150 ml gesättigter Ammoniumchloridlösung
suspendiert, 3 h bei 50°C gerührt, abfiltriert, 3 × mit 50 ml Wasser gewaschen, 3 h bei
120°C getrocknet und 3 h bei 300°C calciniert.
1568 mg Titanocendichlorid (Firma Merck) wurden in 300 ml Chloroform gelöst,
10 g trockenes Aerosil 380 (Firm Degussa, pyrogenes Siliciumdioxid, 380 m2/g)
hinzugegeben, 30 min gerührt, 1867 mg Triethylamin zugegeben, 120 min gerührt,
abgenutscht und mit 50 ml Chloroform gewaschen, bei 120°C unter Stickstoff für 3 h
getrocknet und anschließend 3 h bei 300°C und 1 h bei 500°C calciniert.
2 g titanhaltiger Träger wurden in 20 ml Hexan vorgelegt, 0,4 g Hexamethyldisilazan
zugegeben, 120 min bei 60°C gerührt, abgetrennt und 10 h bei 120°C getrocknet.
64 ml methanolische Tetrachlorogoldsäurelösung (1,25 g Au/l) wurde vorgelegt, 4 g
titanhaltige Substanz zugegeben, mit 1,0 ml K2CO3 (2 n), auf pH 8 eingestellt, 30
min gerührt, 4 ml Mononatriumcitratlösung zugegeben, der pH-Wert erneut mit 2n
K2CO3 auf pH 8 eingestellt, 120 min gerührt, der Feststoff abgetrennt, 3 × mit je 40
ml H2O gewaschen, 2 h bei 150°C getrocknet und 5 h bei 350°C calciniert.
In einem Test gemäß der Testvorschrift wurden bei konstanten PO-Selektivitäten von
93% über 300 h stationäre Propenumsätze von 2,1% erreicht.
Dieses Beispiel beschreibt die Präparation eines Katalysatorträgers, bestehend aus
den Oxiden von Silicium und Titan, welcher oberflächenmodifiziert wurde und
anschließend mit Gold belegt wurde. Der Si- und Ti-haltige Katalysatorträger wurde
durch Imprägnierung von Silica mit Tetraisopropoxytitan erhalten.
70 g Aerosil 380 wurden analog Beispiel 5 mit Ammoniumchloridlösung behandelt.
50 g Aerosil 380 (Firma Degussa, pyrogenes Siliciumdioxid, 380 m2/g), 2,2 g
Tetraisopropoxytitan (7,7 mmol) (Firma Merck), 1,6 g Acetylacetonät und 200 ml
trockenes Isopropanol wurden unter Rühren vorgelegt, 30 min homogenisiert, der
Feststoff abfiltriert, zum Waschen erneut in 50 ml Isopropanol suspendiert, 10 min
gerührt und erneut filtriert. Dieser Waschprozeß wurde wiederholt. Der Feststoff
wurde bei 120°C unter Stickstoff getrocknet und 3 h bei 300°C und 1 h bei 500°C
calciniert.
2 g titanhaltige Substanz wurden in 20 ml Hexan vorgelegt, 0,2 g (1,2 mmol)
Hexamethyldisilazan zugegeben, 120 min bei 60°C gerührt, abgetrennt und 10 h bei
120°C getrocknet.
70 ml methanolische Tetrachlorogoldsäurelösung (0,7 g Au/l) wurde vorgelegt, 5 g
titanhaltige Substanz zugegeben, mit 1,0 ml K2CO3 (2n) auf pH 8 eingestellt, 30 min
gerührt, 2 ml Mononatriumcitratlösung zugegeben, der pH-Wert erneut mit 2n
K2CO3 auf pH 8 eingestellt, 120 min gerührt, Feststoff abgetrennt, 4 × mit je 20 ml
H2O gewaschen, 2 h bei 150°C getrocknet und 3 h bei 350°C calciniert. Der
Katalysator enthält 0.6 Gew.-% Gold (ICP).
In einem Test gemäß der Testvorschrift wurden bei konstanten PO-Selektivitäten von
93% über 300 h stationäre Propenumsätze von 1,8% erreicht.
Dieses Beispiel beschreibt die Präparation eines Katalysatorträgers, bestehend aus
den Oxiden von Silicium und Titan, welcher mit Goldteilchen belegt wurde. Der Si-
und Ti-haltige Katalysatorträger wurde durch Imprägnierung von Silica mit
Titanylacetylacetonat erhalten.
30 g Aerosil 200 (pyrogenes Siliciumdioxid, Degussa, 200 m2/g) wurden in in 250 ml
trockenem Methanol suspendiert, mit 0,98 g Titanylacetylacetonat versetzt und 2 h
bei Raumtemperatur gerührt. Am Rotationsverdampfer wurde die Suspension zur
Trockene eingeengt, der Feststoff wurde anschließend bei 130°C getrocknet und bei
600°C im Luftstrom für 3 h calciniert.
0,16 g Tetrachlorogoldsäure wurde in 500 ml destilliertem Wasser gelöst, mit einer
2n Natriumhydroxidlösung auf pH 8,8 eingestellt, auf 70°C erwärmt, mit 10 g von
obigem titanhaltigen Silica versetzt und 1 h gerührt. Gold wurde dabei in Form des
Hydroxides auf der titanhaltigen Silica-Oberfläche immobilisiert. Der Feststoff
wurde abfiltriert, mit 30 ml destilliertem Wasser gewaschen, bei 120°C 10 h
getrocknet und 3 h bei 400°C an der Luft calciniert. Nach ICP-Analyse wies der
Katalysator 0,45 Gew.-% Gold auf.
In einem Test gemäß der Testvorschrift wurden bei PO-Selektivitäten von 92% nach
20 min ein Propenumsatz von 2,3 mol.-%, nach 100 min ein Propenumsatz von
1,5 mol.-%, nach 4 h ein Propenumsatz von 1,0 mol.-% und nach 10 h ein
Propenumsatz von 0,5 mol.-% erreicht. Die Katalysatordesaktivierung nahm mit
zunehmender Zeit weiter zu.
Dieses Beispiel beschreibt die Präparation eines amorphen Katalysatorträgers,
bestehend aus den Oxiden von Silicium und Titan, welcher oberflächenmodifiziert
wurde und nachfolgend mit Gold belegt wurde. Der Si- und Ti-haltige Katalysator
träger wird im Gegensatz zum Beispiel 1 durch sauer katalysierte Copoly
kondensation erhalten.
9,15 g TEOS (44 mmol, Fa. Merck) in 100 mmol Ethanol wurden mit 0,65 g
Tetraisopropoxytitan (2,3 mmol) versetzt und tropfenweise 2 ml 8N HCl zudosiert.
Hydrolyse, Kondensation und Gelierung erfolgten 3 Tage lang im geschlossenen
Polypropylenbecher. Nach 3 Tagen Trocknung bei Raumtemperatur wurde das Gel
mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 0,1 K/min auf 340 K aufgeheizt, 4 h bei dieser
Temperatur gehalten, mit der gleichen Aufheizgeschwindigkeit auf 530 K aufgeheizt
und dort zur Calcinierung weitere 5 h gehalten. Abgekühlt wurde mit 2 K/min auf
Raumtemperatur.
2,5 g titanhaltige Substanz wurde mit 1 g Hexamethyldisilazan in trockenem Hexan
unter Rühren vorgelegt, 2 h bei 60°C gerührt, der Feststoff abfiltriert, mit 50 ml
Hexan gewaschen, unter Vakuum bei 120°C getrocknet.
40 ml methanolische Tetrachlorogoldsäurelösung (0,70 g Au/l) wurde vorgelegt, 3 g
titanhaltiger Katalysatorträger zugegeben, mit 1,0 ml K2CO3 (2 n), auf pH 8
eingestellt, 30 min gerührt, 2 ml Mononatriumcitratlösung zugegeben, der pH-Wert
erneut mit 2n K2CO3 auf pH 8 eingestellt, 120 min gerührt, der Feststoff abgetrennt,
3 × mit je 20 ml Methanol gewaschen, 2 h bei 150°C getrocknet und 3 h bei 300°C
calciniert. Der Katalysator enthielt 0.6 Gew.-% Gold (ICP).
In einem Test gemäß der Testvorschrift wurde bei einer PO-Selektivität von 93%
über 100 h stationäre Propenumsätze von 1,5% erreicht.
Dieses Beispiel beschreibt die Präparation eines kristallinen Titansilikalitkataly
satorträgers, bestehend aus den Oxiden von Silicium und Titan, welcher oberflächen
modifiziert wurde und anschließend mit Gold belegt wurde. Der Si- und Ti-haltige
Katalysatorträger wurde durch Hydrothermalsynthese erhalten.
Unter Argon wurden 275,5 g TEOS (1,32 mol) (Merck) und 95,4 g 0,05 n HCl
vorgelegt, 1 h bei Raumtemperatur gerührt, anschließend auf 0°C gekühlt, langsam
11,25 g (33 mmol) Tetrabutoxytitan (Merck), gelöst in 66,2 g Isopropanol (Merck, p.
A. Ware), über einen Zeitraum von 3 h zugetropft. Die gelbliche Lösung enthielt
geringe Mengen Feststoff, der sich aber wieder auflöste. In weiteren 30 min wurde
der Ansatz auf Raumtemperatur (20°C) gebracht, 22 g 20%ige Tetrapropyl
ammoniumhydroxidlösung (Firma Sachen) über 3 min zugetropft. Der Gelpunkt
wurde nach 5 min erreicht. Nach 10 h stehenlassen wurde der zerkleinerte Ansatz zur
Hydrothermalsynthese für 24 h bei 170°C in den teflonausgekleideten Autoklaven
überführt. Der Ansatz wurde 3 × mit 30 ml Isopropanol gewaschen, bei 110°C
getrocknet und langsam (10°C/min) auf 560°C im Stickstoffstrom aufgeheizt, 1 h
unter N2 bei 564°C gehalten, dann 10 h bei 560°C an Luft calciniert.
2,5 g calcinierte Substanz wurde mit 1 g Hexamethyldisilazan in trockenem Hexan
unter Rühren vorgelegt, 2 h bei 60°C gerührt, der Feststoff abfiltriert, mit 50 ml
Hexan gewaschen und unter Vakuum bei 120°C getrocknet.
40 ml methanolische Tetrachlorogoldsäurelösung (0,70 g Au/l) wurde vorgelegt, 3 g
kristalliner, titanhaltiger Katalysatorträger zugegeben, mit 1,0 ml K2CO3 (2n), auf pH
8 eingestellt, 30 min gerührt, 2 ml Mononatriumcitratlösung zugegeben, der pH-Wert
erneut mit 2n K2CO3 auf pH 8 eingestellt, 120 min gerührt, Feststoff abgetrennt, 4 ×
mit je 20 ml H2O gewaschen, 2 h bei 150°C getrocknet und 3 h bei 350°C calciniert.
Der Katalysator enthielt 0.6 Gew.-% Gold (ICP).
In einem Test gemäß der Testvorschrift wurde bei konstanten PO-Selektivitäten von
93% über 200 h stationäre Propenumsätze von 1,5% erreicht.
Trans-2-buten wurde anstelle von Propen als ungesättigter Kohlenwasserstoff
ausgewählt. Zur partiellen Oxidation von Trans-2-buten wurde ein amorpher
Katalysator, bestehend aus den Oxiden von Silicium, Titan, Tantal und metallischem
Gold eingesetzt. Die Katalysatorpräparation erfolgte analog Beispiel 2.
In einem Test gemäß der Testvorschrift wurde bei konstanten 2,3-Epoxybutan-
Selektivitäten von 91% über 100 h stationäre Trans-2-buten-Umsätze von 2,0%
erreicht.
Cyclohexen wurde anstelle von Propen als ungesättigter Kohlenwasserstoff aus
gewählt. Zur partiellen Oxidation von Cyclohexen wurde ein amorpher Katalysator,
bestehend aus den Oxiden von Silicium, Titan, Tantal und metallischem Gold
eingesetzt. Die Katalysatorpräparation erfolgte analog Beispiel 2.
In einem Test gemäß der Testvorschrift wurde bei Cyclohexenoxid-Selektivitäten
von 90% über 100 h stationäre Cyclohexen-Umsätze von 1,8% erreicht.
1,3-Butadien wurde anstelle von Propen als ungesättigter Kohlenwasserstoff
ausgewählt. Zur partiellen Oxidation von 1,3-Butadien wurde ein amorpher
Katalysator, bestehend aus den Oxiden von Silicium, Titan, Tantal und metallischem
Gold eingesetzt. Die Katalysatorpräparation erfolgte analog Beispiel 2.
In einem Test gemäß der Testvorschrift wurde bei Butenoxid-Selektivitäten von
85% über 100 h stationäre Butadien-Umsätze von 0,7% erreicht.
Dieses Beispiel beschreibt die Präparation eines amorphen Katalysatorträgers,
bestehend aus den Oxiden von Silicium, Titan und Tantal, welcher mit Silberteilchen
belegt und nachfolgend oberflächenmodifiziert wird. Die Katalysatorträgerher
stellung erfolgt analog Beispiel 2. Anstelle mit Gold wird der Katalysatorträger mit
Silberteilchen belegt.
Zur Lösung von 787 mg Silbernitrat (5 Gew.-% Silber bezogen auf einzusetzenden
Träger) in 100 ml Wasser werden bei RT unter Rühren 10 g Katalysatorträger
zugegeben. Die Suspension wird 1 h bei RT gerührt, der Feststoff abgetrennt und
1mal mit 20 ml Wasser gewaschen. Der feuchte Feststoff wird 3 h bei 120°C
getrocknet und anschließend an der Luft 2 h bei 250°C und 5 h bei 350°C kalziniert.
In einem Test gemäß der Testvorschrift wurden bei konstanten PO-Selektivitäten von
94% über 50 h stationäre Propenumsätze von 0,4% erreicht.
Die Oberflächenbelegung kann beispielsweise durch sogenannte DRIFTS-
Spektroskopie belegt werden. DRIFTS (Diffuse Reflectance Infrared Fourier
Transform Spectroscopy) ist eine gut etablierte schwingungsspektroskopische
Methode zur strukturellen Charakterisierung von fuktionellen Gruppen und
Adsorbaten an Festkörperoberflächen. Angaben zum Prinzip der Methode und einige
Anwendungsbeispiele aus dem Gebiet der heterogenen Katalyse finden sich z. B. im
Artikel von Mestl, G., Knözinger, H., im Handbook of Heterogeneous Catalysis, Vol.
2, S. 539 ff. (VCH, Weinheim 1997), und der darin zitierten Literatur.
Zur Charakterisierung der erfindungsgemäßen Katalysatormaterialien im nicht
silylierten und im silylierten Zustand wurden entsprechende Proben für einige
Stunden bei 200°C im Trockenschrank aufbewahrt, im heißen Zustand in eine
Inertgaszelle überführt und ohne weiteren Luftkontakt (zur Vermeidung von H2O-
Readsorption an der Probenoberfläche) mittels DRIFTS spektroskopisch untersucht.
Abb. 1 zeigt die DRIFT-Spektren zweier silylierter und nichtsilylierter Materialien,
die gemäß Beispiel 1 hergestellt wurden. Die mit Hexamethyldisilazan durchgeführte
Silylierung führt nahezu zur kompletten Umsetzung der terminalen SiOH-Gruppen,
die an der Oberfläche des nichtsilylierten Materials vorliegen und in dessen
Spektrum anhand der scharfen Bande bei 3740 cm-1 zu identifizieren sind. Die
deutlich hervortretenden Banden um 3000 cm-1 im Spektrum des silylierten Materials
sind der Kohlenwasserstoffbelegung (CH3-Gruppen) aus dem Silylierungsmittel
zuzuordnen. Das nichtsilylierte Material enthält ebenfalls Kohlenwasserstoffreste, die
möglicherweise aus dem zur Trägerherstellung angewandten Sol-Gel-Prozeß
stammen (durch die Behandlung des Materials bei einer Temperatur von 200°C
wurden diese Kohlenwasserstoffreste offenbar nicht vollständig thermisch abgebaut).
Claims (12)
1. Geträgerte Zusammensetzung enthaltend Gold- und/oder Silberpartikel,
Titanoxid und einen siliciumhaltigen Träger, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zusammensetzung an der Oberfläche Gruppen ausgewählt aus Siliciumalkyl-,
Siliciumaryl-, fluorhaltigen Alkyl- oder fluorhaltigen Arylgruppen trägt.
2. Geträgerte Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mehr als 50% der OH-Gruppen an der Oberfläche der geträgerten Zu
sammensetzung durch Siliciumalkyl-, Siliciumaryl-, fluorhaltigen Alkyl- oder
fluorhaltigen Arylgruppen belegt sind.
3. Geträgerte Zusammensetzung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche
1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung zusätzlich Fremdoxide
ausgewählt aus der Gruppe 5, 8, 13 und 15 des Periodensystems nach IUPAC
1985 oder Mischungen von Fremdoxiden enthält.
4. Verfahren zur Herstellung einer geträgerten Zusammensetzung gemäß
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberfläche des silicium
haltigen Trägers und/oder geträgerten Zusammensetzung behandelt.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ober
flächenbehandlung mit siliciumorganischen und/oder fluorhaltigen organi
schen Verbindungen durchführt.
6. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß man als siliciumorganische Verbindungen Siloxane,
Silazane, Disilane und/oder Chlorsilane oder eine Kombination von diesen
verwendet.
7. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Träger vor der Oberflächenbehandlung einer
Wasserbehandlung unterzogen und anschließend das überschüssige Wasser
und gegebenenfalls Salze entfernt werden.
8. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der oberflächenmodifizierte siliziumhaltige Träger in
nicht-wäßrigen Lösungsmitteln, oder in Mischungen aus organischen
Lösungsmittel und Wasser mit Gold belegt wird.
9. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 3-8, dadurch
gekennzeichnet, daß man zusätzlich eine oder mehrere der jeweiligen
Lösungsmittel lösliche Promotor-Verläuferverbindungen einsetzt.
10. Verwendung der geträgerten Zusammensetzung gemäß einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 3 zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen.
11. Verwendung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlen
wasserstoffe ungesättigte Kohlenwasserstoffe sind.
12. Verwendung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man Propen
zu Propenoxid oxidiert.
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