RU2551673C1 - Palladium-containing hydrogenation catalyst and method for producing it - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: problem is solved by using graphite oxide functionalised by ethylene amide as a carrier. The described method for preparing a palladium-containing hydrogenation catalyst by coating a carbon nanomaterial with a bivalent palladium salt (PdCl₂) followed by reducing to zero-valent palladium by sodium borane in the hydrogen medium, differs by the fact that the used carbon nanomaterial is graphite oxide modified by ethylene amide and prepared by boiling a graphite oxide suspension in butanol-1 in the presence of excessive ethylene amine. The palladium content in the catalyst makes 4.8-5 wt %. The catalyst is stable in the standard environment and keeps being active at long air storage, as well as maintains its activity after repeated hydrogenation cycles involving no regeneration.

EFFECT: creating the palladium-containing hydrogenation catalyst, wherein the palladium particles have a nanometre size and are uniformly distributed over the carrier surface.

2 cl, 3 ex

Description

Изобретение относится к каталитическим химическим процессам, а именно к реакциям гидрирования ненасыщенных углеводородов и ароматических нитросоединений.The invention relates to catalytic chemical processes, namely to hydrogenation reactions of unsaturated hydrocarbons and aromatic nitro compounds.

Реакции гидрирования относятся к основным промышленным процессам, реализуемым, как правило, в присутствии катализатора, в частности, для синтеза ароматических аминов, алициклических и циклических насыщенных органических соединений, высококачественного бензина и т.д.Hydrogenation reactions are among the main industrial processes that are implemented, as a rule, in the presence of a catalyst, in particular for the synthesis of aromatic amines, alicyclic and cyclic saturated organic compounds, high-quality gasoline, etc.

По литературным данным [Grove D.E. Plat. Met., 2002, 46(2), 92], около 75% промышленных процессов гидрирования проводится на катализаторе Pd/C, содержащем 5% металлического палладия. Богатая каталитическая химия палладия охватывает практически весь спектр реакций, необходимый для органического синтеза. Способ получения катализатора Pd/C основан на восстановлении двухвалентного палладия из прекусоров с последующим осаждением восстановленного палладия на разнообразные активированные угли.According to the literature [Grove D.E. Plat. Met., 2002, 46 (2), 92], about 75% of industrial hydrogenation processes are carried out on a Pd / C catalyst containing 5% palladium metal. The rich catalytic chemistry of palladium covers almost the entire spectrum of reactions necessary for organic synthesis. The method for producing the Pd / C catalyst is based on the reduction of divalent palladium from precursors, followed by the deposition of reduced palladium on a variety of activated carbons.

Недостатком данного технического решения является небольшая активность получаемого согласно данному способу катализатора, необходимость создания для осуществления процесса катализа повышенных (свыше 60°C) температур и давления (свыше 5 атм). Это объясняется сложностью активации реакционных центров катализатора, получаемого согласно данному способу.The disadvantage of this technical solution is the low activity of the catalyst obtained according to this method, the need to create elevated (over 60 ° C) temperatures and pressures (over 5 atm) for the catalysis process. This is due to the complexity of activation of the reaction centers of the catalyst obtained according to this method.

Известен способ получения палладийсодержащих катализаторов [Патент RU 2258561, патент RU 2326731] гидрирования непредельных углеводородов путем восстановления двухвалентного палладия из прекурсоров с последующим осаждением восстановленного палладия на углеродный материал, отличающийся тем, что в качестве исходного соединения используют перхлорат тетрааквапалладия (II), а восстановленный палладий осаждают на углеродный наноматериал. Такие катализаторы обладают высокой каталитической активностью при гидрировании алкенов по сравнению с катализаторами, полученными путем нанесения палладия на активированный уголь. Однако палладий, осажденный на углеродный наноматериал, образует нанокластеры с относительно невысокой каталитической активностью.A known method for producing palladium-containing catalysts [Patent RU 2258561, patent RU 2326731] hydrogenation of unsaturated hydrocarbons by reducing divalent palladium from precursors, followed by deposition of reduced palladium on carbon material, characterized in that tetra-aquapalladium (II) perchlorate is used as the starting compound, and reduced palladium precipitated onto carbon nanomaterial. Such catalysts have a high catalytic activity in the hydrogenation of alkenes compared to catalysts obtained by applying palladium on activated carbon. However, palladium deposited on carbon nanomaterial forms nanoclusters with relatively low catalytic activity.

Известен палладийсодержащий электрокатализатор [Патент CN 103120938], в качестве носителя в котором используется графеновый материал. Процесс получения катализатора состоит из трех стадий: (1) получение оксида графита по методике, описанной в [Патент US 2798878]; (2) функционализация оксида графита поверхностно-активным веществом - хлоридом полидиметилдиаллиламмония; (3) осаждение соли двухвалентного палладия (PdCl₂) на функционализированный оксид графита с последующим восстановлением боргидридом натрия. Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.Known palladium-containing electrocatalyst [Patent CN 103120938], as a carrier in which graphene material is used. The process for producing a catalyst consists of three stages: (1) obtaining graphite oxide according to the procedure described in [Patent US 2798878]; (2) the functionalization of graphite oxide with a surfactant - polydimethyldiallylammonium chloride; (3) precipitation of a salt of divalent palladium (PdCl ₂ ) on functionalized graphite oxide, followed by reduction with sodium borohydride. This technical solution is made as a prototype of the present invention.

Недостатком катализатора, описанного в способе-прототипе, является сложность и дороговизна получения: требуется дорогостоящее поверхностно-активное вещество - хлорид полидиметилдиаллиламмония, которое трудно удалить после получения катализатора, при совместном восстановлении PdCl₂ и оксида графита боргидридом натрия на графеновой поверхности остается большое количество кислородсодержащих групп, значительно снижающих электронную проводимость графеновых слоев.The disadvantage of the catalyst described in the prototype method is the complexity and cost of obtaining: it requires an expensive surfactant - polydimethyl diallylammonium chloride, which is difficult to remove after the preparation of the catalyst, with the joint reduction of PdCl ₂ and graphite oxide with sodium borohydride, a large amount of oxygen-containing groups remains on the graphene surface , significantly reducing the electronic conductivity of graphene layers.

Задачей изобретения является создание палладийсодержащего катализатора гидрирования, в котором частицы палладия имеют нанометровый размер и равномерно распределены на поверхности носителя.The objective of the invention is to provide a palladium-containing hydrogenation catalyst, in which palladium particles are nanometer in size and uniformly distributed on the surface of the carrier.

Поставленная задача решается заявляемым палладийсодержащим катализатором гидрирования, содержащим 4.8-5 вес.% нанокластеров палладия, нанесенных на углеродные наночастицы, в котором в качестве носителя используется функционализированный этилендиамином оксид графита.The problem is solved by the claimed palladium-containing hydrogenation catalyst containing 4.8-5 wt.% Palladium nanoclusters deposited on carbon nanoparticles, in which functionalized ethylene diamine graphite oxide is used as a carrier.

Также задача решается способом получения палладийсодержащего катализатора гидрирования, включающим нанесение раствора хлорида палладия в этиловом спирте на носитель функционализированный оксид графита, который получают кипячением бутанольной суспензии оксида графита в присутствии избытка этилендиамина с последующим восстановлением до нольвалентного палладия боргидридом натрия в атмосфере водорода.The problem is also solved by a method for producing a palladium-containing hydrogenation catalyst, including applying a solution of palladium chloride in ethanol to a functionalized graphite oxide, which is obtained by boiling a butanol suspension of graphite oxide in the presence of an excess of ethylene diamine, followed by reduction to zero valent palladium with sodium borohydride in a hydrogen atmosphere.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем: палладийсодержащий катализатор гидрирования содержит частицы палладия, имеющие нанометровый размер и равномерное распределение на поверхности носителя. В качестве носителя функционализированного этилендиамином оксида графита. Носитель в предложенном новом катализаторе значительно отличается от функционализированного оксида графита, предлагаемого в способе-прототипе. Его характеризует отсутствие большого количества кислородсодержащих групп и наличие аминогрупп, равномерно распределенных на графеновой поверхности, способных координировать катионы палладия и выступать в качестве центра роста нанокластеров. Также наличие этилендиаминной цепи (-NH-CH₂-CH₂-NH₂) предотвращает «слипание» частиц носителя, свойственное оксиду графита и графеновым материалам. Такой катализатор стабилен при стандартных условиях и не теряет активности при длительном хранении на воздухе, а также сохраняет активность при проведении многократных циклов гидрирования без его регенерации. После отделения реакционной массы катализатор может быть сохранен и вновь использован в дальнейших процессах.The essence of the claimed invention is as follows: a palladium-containing hydrogenation catalyst contains palladium particles having a nanometer size and uniform distribution on the surface of the carrier. As a carrier of graphite functionalized with ethylene diamine. The carrier in the proposed new catalyst is significantly different from the functionalized graphite oxide proposed in the prototype method. It is characterized by the absence of a large number of oxygen-containing groups and the presence of amino groups evenly distributed on the graphene surface, capable of coordinating palladium cations and acting as a growth center for nanoclusters. Also, the presence of an ethylene diamine chain (—NH — CH ₂ —CH ₂ —NH ₂ ) prevents the “sticking” of carrier particles inherent to graphite oxide and graphene materials. Such a catalyst is stable under standard conditions and does not lose activity during prolonged storage in air, and also remains active during multiple hydrogenation cycles without regeneration. After separation of the reaction mass, the catalyst can be stored and reused in further processes.

Заявляемый катализатор получают следующим образом. Оксид графита, полученный по известной методике [Журнал общей химии, 1991, 61(12), 2626-2629], диспергируют в бутаноле-1, в полученную суспензию добавляют избыток этилендиамина и кипятят с обратным холодильником, получившийся осадок отфильтровывают. Высушенный функционализированный оксид графита диспергируют в этаноле. Затем к полученной суспензии, нагретой до температуры 45°C, по каплям добавляют спиртовой раствор хлорида палладия, необходимого для приготовления катализатора требуемого состава. Восстановление палладия проводят боргидридом натрия в атмосфере водорода при температуре 45°C. Высушенный продукт можно использовать в качестве катализатора для гидрирования непредельных углеводородов и ароматических нитросоединений.The inventive catalyst is prepared as follows. Graphite oxide obtained by a known method [Journal of General Chemistry, 1991, 61 (12), 2626-2629] is dispersed in butanol-1, an excess of ethylenediamine is added to the resulting suspension and refluxed, the resulting precipitate is filtered off. The dried functionalized graphite oxide is dispersed in ethanol. Then, to the resulting suspension, heated to a temperature of 45 ° C, an alcoholic solution of palladium chloride, necessary for preparing the catalyst of the required composition, is added dropwise. Palladium reduction is carried out with sodium borohydride in a hydrogen atmosphere at a temperature of 45 ° C. The dried product can be used as a catalyst for the hydrogenation of unsaturated hydrocarbons and aromatic nitro compounds.

Ниже приведены примеры, иллюстрирующие способ получения этого катализатора с использованием оксида графита с элементным составом (вес.%): C 49.3, H 2.4, O 45.1, при соотношении углерода к кислороду (C/O), равном 1.45.The following are examples illustrating the method for producing this catalyst using graphite oxide with elemental composition (wt.%): C 49.3, H 2.4, O 45.1, with a carbon to oxygen ratio (C / O) of 1.45.

Пример 1. В двугорлую колбу помещают 0.5 г оксида графита, высушенного до постоянного веса в вакууме при 80°C, 50 мл бутанола-1 и диспергируют в ультразвуковой ванне до получения однородной суспензии. В полученную суспензию добавляют 10 мл этилендиамина и кипятят с обратным холодильником в течение 8 ч. Полученный осадок отфильтровывают на стеклянном фильтре, трехкратно промывают спиртом и сушат под вакуумом при 80°C в течение 5 ч. Полученный продукт имеет следующий элементный состав (вес.%): C 75.88; H 2.5; N 13.8; O 7.6; C/O=13.30.Example 1. In a two-necked flask was placed 0.5 g of graphite oxide, dried to constant weight in vacuum at 80 ° C, 50 ml of butanol-1 and dispersed in an ultrasonic bath to obtain a homogeneous suspension. 10 ml of ethylenediamine was added to the resulting suspension and refluxed for 8 hours. The resulting precipitate was filtered on a glass filter, washed three times with alcohol and dried under vacuum at 80 ° C for 5 hours. The resulting product had the following elemental composition (wt.% ): C 75.88; H 2.5; N 13.8; O 7.6; C / O = 13.30.

Функционализированный оксид графита диспергируют в 40 мл этанола на ультразвуковой ванне до получения однородной суспензии. Для нанесения 5% палладия полученную суспензию переносят в двугорлую колбу, снабженную капельной воронкой, медленно добавляют раствор хлорида палладия в этаноле, содержащий 25 мг PdCl₂, 10 мл этанола и 0.1 мл 6 моль/л HCl, и перемешивают на магнитной мешалке в течение 45 мин. Восстановление проводят в атмосфере водорода, для этого в стеклянный термостатируемый при температуре 45°C реактор помещают 100 мг боргидрида натрия, полученную суспензию прекурсора катализатора перемешивают на магнитной мешалке с фторопластовым якорем в течение 30 мин. Полученный композит отфильтровывают на стеклянном фильтре, трехкратно промывают спиртом и бидистиллированной водой до исчезновения в фильтрате ионов хлора по реакции с 2-ным % раствором нитрата серебра, затем сушат под вакуумом при 80°C в течение 5 ч. Полученный продукт содержит 4.9 вес.% палладия.The functionalized graphite oxide is dispersed in 40 ml of ethanol in an ultrasonic bath until a homogeneous suspension is obtained. To apply 5% palladium, the resulting suspension was transferred to a two-necked flask equipped with a dropping funnel, a solution of palladium chloride in ethanol containing 25 mg of PdCl ₂ , 10 ml of ethanol and 0.1 ml of 6 mol / L HCl was slowly added, and stirred on a magnetic stirrer for 45 min The reduction is carried out in a hydrogen atmosphere; for this, 100 mg of sodium borohydride is placed in a glass thermostatted at a temperature of 45 ° C; the resulting suspension of the catalyst precursor is stirred on a magnetic stirrer with a fluoroplastic anchor for 30 minutes. The resulting composite is filtered on a glass filter, washed three times with alcohol and bidistilled water until the chlorine ions disappear in the filtrate by reaction with a 2% silver nitrate solution, then dried under vacuum at 80 ° C for 5 hours. The resulting product contains 4.9 wt.% palladium.

Реакцию гидрирования циклогексена проводят следующим образом. В стеклянный термостатируемый реактор под слой растворителя (10 мл этанола) помещают навеску катализатора 30 мг. Затем проводят дополнительную активацию катализатора в атмосфере водорода в течение 10 мин при температуре 45°C. Далее в токе водорода вносят 1·10^-3 моль циклогексена и ведут гидрирование при T=45°C, $$P_{H_2}=1$$

атм. Скорость реакции измеряют волюмометрическим методом по поглощению водорода. После гидрирования катализатор отфильтровывают на бумажном фильтре FILTRAK №90 и промывают 90-160 мл дистиллированной воды и 20-40 мл этанола. Затем катализатор сушат в термостатируемом сушильном шкафу при температуре 45°C в течение 2 ч.The hydrogenation reaction of cyclohexene is carried out as follows. A 30 mg sample of catalyst was placed in a glass thermostatic reactor under a solvent layer (10 ml of ethanol). Then carry out additional activation of the catalyst in a hydrogen atmosphere for 10 min at a temperature of 45 ° C. Then in a stream of hydrogen add 1 · 10 ^-3 mol of cyclohexene and carry out hydrogenation at T = 45 ° C, $$P_{H_2}=\mathrm{one}$$

atm. The reaction rate is measured by the volumetric method for the absorption of hydrogen. After hydrogenation, the catalyst is filtered off on a FILTRAK filter paper No. 90 and washed with 90-160 ml of distilled water and 20-40 ml of ethanol. Then the catalyst is dried in a thermostatic drying oven at a temperature of 45 ° C for 2 hours

Пример 2. Катализатор, полученный по примеру 1, используют в нескольких циклах гидрирования. Для этого в стеклянный термостатируемый реактор под слой растворителя (10 мл этанола) вносят навеску катализатора 30 мг. Затем проводят дополнительную активацию катализатора в атмосфере водорода в течение 10 мин при температуре 45°C. Далее в атмосфере водорода вносят 1·10^-3 моль циклогексена и ведут гидрирование при T=45°C, $$P_{H_2}=1$$

атм. После окончания реакции вносят следующую порцию субстрата (1·10^-3 моль циклогексена) без отделения продукта реакции и катализатора. Скорость реакции измеряют волюмометрическим методом по поглощению водорода. После гидрирования катализатор отфильтровывают на бумажном фильтре FILTRAK №90 и промывают 90-160 мл дистиллированной воды и 20-40 мл этанола. Затем катализатор сушат в термостатируемом сушильном шкафу при температуре 45°C в течение 2 ч. Аналогично проводят третий, четвертый и пятый циклы гидрирования.Example 2. The catalyst obtained in example 1 is used in several hydrogenation cycles. For this, a 30 mg sample of catalyst is introduced into a glass thermostatic reactor under a solvent layer (10 ml of ethanol). Then carry out additional activation of the catalyst in a hydrogen atmosphere for 10 min at a temperature of 45 ° C. Then in a hydrogen atmosphere add 1 · 10 ^-3 mol of cyclohexene and carry out hydrogenation at T = 45 ° C, $$P_{H_2}=\mathrm{one}$$

atm. After the completion of the reaction, the next portion of the substrate (1 · 10 ^-3 mol of cyclohexene) is added without separation of the reaction product and the catalyst. The reaction rate is measured by the volumetric method for the absorption of hydrogen. After hydrogenation, the catalyst is filtered off on a FILTRAK filter paper No. 90 and washed with 90-160 ml of distilled water and 20-40 ml of ethanol. The catalyst is then dried in a temperature-controlled oven at a temperature of 45 ° C for 2 hours. Similarly, the third, fourth and fifth hydrogenation cycles are carried out.

Пример 3. Катализатор, полученный по примеру 1, используют для гидрирования нитробензола. Для этого в стеклянный термостатируемый реактор под слой растворителя (10 мл этанола) помещают навеску катализатора 30 мг. Затем проводят дополнительную активацию катализатора в атмосфере водорода в течение 10 мин при температуре 45°C. Далее в атмосфере водорода вносят 1·10^-3 моль нитробензола и ведут гидрирование при Т=45°C, $$P_{H_2}=1$$

атм. Скорость реакции измеряют волюмометрическим методом по поглощению водорода. После гидрирования катализатор отфильтровывают на бумажном фильтре FILTRAK №90 и промывают 90-160 мл дистиллированной воды и 20-40 мл этанола. Затем катализатор сушат в термостатируемом сушильном шкафу при температуре 45°C в течение 2 ч. Аналогично проводят второй, третий, четвертый и пятый циклы гидрирования.Example 3. The catalyst obtained in example 1, is used for hydrogenation of nitrobenzene. For this, a 30 mg catalyst sample is placed in a glass thermostatic reactor under a solvent layer (10 ml of ethanol). Then carry out additional activation of the catalyst in a hydrogen atmosphere for 10 min at a temperature of 45 ° C. Then in a hydrogen atmosphere add 1 · 10 ^-3 mol of nitrobenzene and carry out hydrogenation at T = 45 ° C, $$P_{H_2}=\mathrm{one}$$

atm. The reaction rate is measured by the volumetric method for the absorption of hydrogen. After hydrogenation, the catalyst is filtered off on a FILTRAK filter paper No. 90 and washed with 90-160 ml of distilled water and 20-40 ml of ethanol. The catalyst is then dried in a temperature-controlled oven at a temperature of 45 ° C for 2 hours. Similarly, the second, third, fourth and fifth hydrogenation cycles are carried out.

По результатам сканирующей электронной микроскопии определено, что полученный катализатор представляет собой чешуйки, включающие от одного до трех слоев функционализированного оксида графита, размер которых изменяется в пределах от 2 до 10 мкм, с нанесенными нанокластерами палладия размером 1-2 нм. Также определено, что после проведения от 1 до 5 циклов гидрирования размеры кластеров палладия не изменяются. Таким образом, новый катализатор стабилен и пригоден к многократному использованию без необходимости регенерации.According to the results of scanning electron microscopy, it was determined that the obtained catalyst is a flake comprising from one to three layers of functionalized graphite oxide, the size of which varies from 2 to 10 μm, with palladium nanoclusters 1-2 nm in size deposited. It was also determined that after 1 to 5 hydrogenation cycles, the sizes of palladium clusters did not change. Thus, the new catalyst is stable and reusable without the need for regeneration.

Это подтверждается также элементным анализом. Так, катализатор после первого цикла гидрирования циклогексена и нитробензола содержит 4.8 вес.% палладия, который не изменяется при проведении многократных циклов гидрирования.This is also confirmed by elemental analysis. Thus, the catalyst after the first hydrogenation cycle of cyclohexene and nitrobenzene contains 4.8 wt.% Palladium, which does not change during multiple hydrogenation cycles.

Заявляемый катализатор проявил высокую каталитическую активность в реакциях гидрирования различных органических соединений. В случае гидрирования 1·10^-3 моль нитробензола скорость поглощения водорода составляет 4.3 мл/мин. Анализ продуктов реакции показал высокий выход анилина (98%). При исследовании стабильности катализатора выход анилина так же высок (98-99%), при этом сохраняется и средняя скорость реакции. В случае гидрирования кратной связи в циклогексене скорость реакции составляет около 2.8 мл/мин. При изучении стабильности катализатора в этой реакции установлено, что во время проведения первого цикла гидрирования происходит «разработка» катализатора, далее скорость остается постоянной, наличие циклогексана не влияет на активность катализатора в этих условиях. Выход циклогексана составил 98%.The inventive catalyst showed a high catalytic activity in the hydrogenation reactions of various organic compounds. In the case of hydrogenation, 1 · 10 ^-3 mol of nitrobenzene, the hydrogen absorption rate is 4.3 ml / min. Analysis of the reaction products showed a high yield of aniline (98%). When studying the stability of the catalyst, the yield of aniline is also high (98-99%), while the average reaction rate is also retained. In the case of hydrogenation of the multiple bond in cyclohexene, the reaction rate is about 2.8 ml / min. When studying the stability of the catalyst in this reaction, it was found that during the first hydrogenation cycle the catalyst is "developed", then the rate remains constant, the presence of cyclohexane does not affect the activity of the catalyst under these conditions. The yield of cyclohexane was 98%.

Таким образом, новый палладийсодержащий катализатор гидрирования, содержащий 4.8-5 вес.% палладия, нанесенный на оксид графита, функционализированный в отличие от способа-прототипа доступным промышленным этилендиамином. Предложенный катализатор проявляет высокую каталитическую активность в реакциях гидрирования различных органических соединений.Thus, a new palladium-containing hydrogenation catalyst containing 4.8-5 wt.% Palladium supported on graphite oxide, functionalized in contrast to the prototype method available industrial ethylene diamine. The proposed catalyst exhibits high catalytic activity in the hydrogenation reactions of various organic compounds.

Claims (2)

1. Палладийсодержащий катализатор гидрирования, содержащий 4.8-5 вес.% нанокластеров палладия, нанесенных на углеродные наночастицы, отличающийся тем, что в качестве носителя используется функционализированный этилендиамином оксид графита.1. Palladium-containing hydrogenation catalyst containing 4.8-5 wt.% Palladium nanoclusters deposited on carbon nanoparticles, characterized in that graphite functionalized with ethylene diamine is used as a carrier. 2. Способ получения палладийсодержащего катализатора гидрирования, включающий нанесение раствора хлорида палладия в этиловом спирте на носитель - функционализированный оксид графита, отличающийся тем, что бутанольную суспензию оксида графита кипятят в присутствии избытка этилендиамина с последующим восстановлением до нольвалентного палладия боргидридом натрия в атмосфере водорода. 2. A method of producing a palladium-containing hydrogenation catalyst, comprising applying a solution of palladium chloride in ethyl alcohol to a carrier - functionalized graphite oxide, characterized in that the butanol suspension of graphite oxide is boiled in the presence of an excess of ethylene diamine, followed by reduction to zero valent palladium with sodium borohydride in a hydrogen atmosphere.