Зависимость селективности гидрирования фурфурола в присутствии рутениевых катализаторов от типа их носителя и параметров реакции

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Синтезированы катализаторы на основе наночастиц Ru, нанесенных на следующие носители: наносферический мезопористый фенолформальдегидный полимер; мезопористый цирконосиликат; композитный материал на основе мезопористых углеродных наносфер и цирконосиликата. Катализаторы испытаны в гидрировании фурфурола в воде при температурах 100–250°С и давлении водорода 1–5 МПа. Установлено влияние загрузки катализатора и времени реакции на конверсию и селективность процесса. Показано, что катализатор на основе композитного материала обладает более высокой активностью и селективностью в воднофазном гидрировании фурфурола.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Максим Павлович Бороноев

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: maxbv04@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6129-598X

н.с., химический факультет

Россия, Москва, 119991

Искандер Ильгизович Шакиров

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Email: maxbv04@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2029-693X

химический факультет

Россия, Москва, 119991

Екатерина Алексеевна Ролдугина

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Email: maxbv04@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-9194-1097

к.х.н., химический факультет

Россия, Москва, 119991

Юлия Сергеевна Кардашева

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Email: maxbv04@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6580-1082

к.х.н., химический факультет

Россия, Москва, 119991

Валерий Юрьевич Верченко

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Email: maxbv04@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8000-425X

к.х.н., химический факультет

Россия, Москва, 119991

Сергей Викторович Кардашев

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Email: maxbv04@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1818-7697

к.х.н., химический факультет

Россия, Москва, 119991

Список литературы

  1. Zaera F. Nanostructured materials for applications in heterogeneous catalysis // Chem. Soc. Rev. 2013. V. 42 № 7. P. 2746–2762. https://doi.org/10.1039/C2CS35261C
  2. Verma P., Kuwahara Y., Mori K., Raja R., Yamashita H. Functionalized mesoporous SBA-15 silica: recent trends and catalytic applications // Nanoscale. 2020. V. 12. № 21. P. 11333–11363. https://doi.org/10.1039/D0NR00732C
  3. Perego C., Millini R. Porous materials in catalysis: challenges for mesoporous materials // Chem. Soc. Rev. 2013. V. 42. № 9. P. 3956–3976. https://doi.org/10.1039/C2CS35244C
  4. Muylaert I., Verberckmoes A., De Decker J., Van Der Voort P. Ordered mesoporous phenolic resins: highly versatile and ultra stable support materials // Adv. Colloid Interface Sci. 2012. V. 175. P. 39–51. https://doi.org/10.1016/j.cis.2012.03.007
  5. Zhu H., Maheswari R., Ramanathan A., Subramaniam B. Evaporation-induced self-assembly of mesoporous zirconium silicates with tunable acidity and facile catalytic dehydration activity // Micropor. Mesopor. Mat. 2016. V. 223 P. 46–52. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2015.10.026
  6. Yu Z., Tian H., Sun K., Shao Y., Zhang L., Zhang S., Duan P., Liu Q., Niu S., Dong D., Hu X. Impacts of externally added Brønsted and Lewis acid on conversion of furfural to cyclopentanone over Ni/SiC catalyst // Mol. Cat. 2020. V. 496. ID. 111187. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2020.111187
  7. Rayner G.B., Jr., Kang D., Lucovsky G. Spectroscopic study of chemical phase separation in zirconium silicate alloys // J. Vac. Sci. Technol. B: Microelectron. Nanometer Struct. Process Meas. Phenom. 2003. V. 21. № 4. P. 1783–1791.
  8. Podyacheva O.Y., Bulushev D.A., Suboch A.N., Svintsitskiy D.A., Lisitsyn A.S., Modin E., Chuvilin A., Gerasimov E.Y., Sobolev V.I., Parmon V.N. Highly stable single-atom catalyst with ionic Pd active sites supported on N-doped carbon nanotubes for formic acid decomposition // ChemSusChem. 2018. V. 11. № 21. P. 3724–3727. https://doi.org/10.1002/cssc.201801679
  9. Mason M.G. Electronic structure of supported small metal clusters // Phys. Rev. B. 1983. V. 27. № 2. P. 748–762. https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.27.748
  10. Zhang F., Liang C., Wu X., Li H. A nanospherical ordered mesoporous Lewis acid polymer for the direct glycosylation of unprotected and unactivated sugars in water // Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2014. V. 53. № 32. P. 8498–8502. https://doi.org/10.1002/anie.201404353
  11. Choy J.H., Yoon J.B., Jung H., Park J.H. Zr K-Edge XAS and 29 Si MAS NMR studies on hexagonal mesoporous zirconium silicate // J. of Porous Mater. 2004. V. 11. P. 123–129. https://doi.org/10.1023/B: JOPO.0000038007.82949.e
  12. Meng Y., Gu D., Zhang F., Shi Y., Yang H., Li Z., Yu C., Tu B., Zhao D. Ordered mesoporous polymers and homologous carbon frameworks: amphiphilic surfactant templating and direct transformation // Angew. Chem. Int. Ed. 2005. V. 44. № 43. P. 7053–7059. https://doi.org/10.1002/anie.200501561
  13. Rayner G.B., Kang D., Hinkle C.L., Hong J.G., Lucovsky G. Chemical phase separation in Zr silicate alloys: a spectroscopic study distinguishing between chemical phase separation with different degree of micro- and nano-crystallinity // Microelectron. Eng. 2004. V. 72. № 1. P. 304–309. https://doi.org/10.1016/j.mee.2004.01.008
  14. Li Y.S., Wong P.C., Mitchell K.A.R. XPS investigations of the interactions of hydrogen with thin films of zirconium oxide II. Effects of heating a 26 Å thick film after treatment with a hydrogen plasma // Appl. Surf. Sci. 1995. V. 89. № 3. P. 263–269. https://doi.org/10.1016/0169-4332(95)00032-1
  15. Yue Z.R., Jiang W., Wang L., Gardner S.D., Pittman C.U. Surface characterization of electrochemically oxidized carbon fibers // Carbon. 1999. V. 37. № 11. P. 1785–1796. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(99)00047-0
  16. Morgan D.J. Resolving ruthenium: XPS studies of common ruthenium materials // Surf. Interface Anal. 2015. V. 47. № 11. P. 1072–1079. https://doi.org/10.1002/sia.5852
  17. Okal J. The interaction of oxygen with high loaded Ru/γ-Al2O3 catalyst // Mater. Res. Bull. 2009. V. 44. № 2. P. 318–323. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2008.05.018
  18. Barzetti T., Selli E., Moscotti D., Forni L. Pyridine and ammonia as probes for FTIR analysis of solid acid catalysts // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1996. V. 92. № 8. P. 1401–1407. https://doi.org/10.1039/FT9969201401
  19. Panagiotopoulou P., Vlachos D.G. Liquid phase catalytic transfer hydrogenation of furfural over a Ru/C catalyst // Appl. Catal. A. 2014. V. 480. P. 17–24. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2014.04.018
  20. Swift T.D., Nguyen H., Erdman Z., Kruger J.S., Nikolakis V., Vlachos D.G. Tandem Lewis acid/Brønsted acid-catalyzed conversion of carbohydrates to 5-hydroxymethylfurfural using zeolite beta // J. of Catal. 2016. V. 333. P. 149–161. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2015.10.009

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изотермы адсорбции/десорбции азота (а) и распределения пор по размерам (б) мезопористых материалов.

Скачать (178KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Дифрактограммы мезопористых материалов.

Скачать (115KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Микрофотография (а) и энергодисперсионный спектр (б) мезопористого композитного материала на основе углеродных наносфер и цирконосиликата.

Скачать (119KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Микрофотографии и распределения по размерам наночастиц Ru-катализаторов, нанесенных на: (а, б) – мезопористый наносферический полимер; (в, г) – мезопористый цирконосиликат; (д, е) – мезопористый материал на основе углеродных наносфер и цирконосиликата.

Скачать (519KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Разложенные на компоненты спектры Zr3d для Ru-катализаторов, нанесенных на: (а) мезопористый цирконосиликат; (б) мезопористый материал на основе углеродных наносфер и цирконосиликата. (1) – Zr4+; (2) – Zrx+ (x ≤ 3).

Скачать (131KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Разложенные на компоненты спектральные регионы Ru3d и C1s для образцов Ru-катализаторов, нане- сенных на: (а) мезопористый материал на основе углеродных наносфер и цирконосиликата; (б) мезопористый цирконосиликат; (в) мезопористый наносферический полимер. C1s (1) – (–С–С–)- и (–С–Н)-группы; C1s (2) – (–С–ОН)- и (С=О)-группы; C1s (3) – (–СООН)-группа; Ru3d (1) – дублет от Ru0; Ru3d (2) – дублет от Ru4+.

Скачать (194KB)
Метаданные
8. Рис. 7. ИК-спектры адсорбированного пиридина на Ru-катализаторах.

Скачать (146KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Конверсия фурфурола и селективности образования продуктов его гидрирования в зависимости от температуры на Ru-катализаторах, нанесенных на: (а) мезопористый наносферический полимер; (б) мезопористый цирконосиликат; (в) мезопористый материал на основе углеродных наносфер и цирконосиликата. * Условия реакции: 3 MПa Н2, 2 ч, 50 мкл фурфурола, 4 мг катализатора, 2 мл воды. ** Другие соединения: 2-метилфуран, тетрагидро-2-метилфуран, тетрагидрофурфураль, пентанол, пентандиол-1,4, 3-ацетил-1-пропанол, 2-циклопентенон, 4-гирокси-2-циклопентенон, 2-фурфурил-5-метилфуран, дифурфуриловый эфир.

Скачать (188KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Конверсия фурфурола и селективности образования продуктов его гидрирования в зависимости от давления на Ru-катализаторах, нанесенных на: (а) мезопористый наносферический полимер; (б) мезопористый цирконосиликат; (в) мезопористый материал на основе углеродных наносфер и цирконосиликата. * Условия реакции: 170°С, 2 ч, 50 мкл фурфурола, 4 мг катализатора, 2 мл воды. ** Другие: 2-метилфуран, тетрагидро-2-метилфуран, тетрагидрофурфураль, пентанол, пентандиол-1,4, 3-ацетил-1-пропанол, 2-циклопентенон, 4-гирокси-2-циклопентенон, 2-фурфурил-5-метилфуран, дифурфуриловый эфир.

Скачать (172KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Конверсия фурфурола и селективности образования продуктов его гидрирования в зависимости от массы катализатора на Ru-катализаторах, нанесенных на: (а) мезопористый наносферический полимер; (б) мезопористый цирконосиликат; (в) мезопористый материал на основе углеродных наносфер и цирконосиликата. * Условия реакции: 170°С, 3 МПа Н2, 2 ч, 50 мкл фурфурола, 2 мл воды. ** Другие: 2-метилфуран, тетрагидро-2-метилфуран, тетрагидрофурфураль, пентанол, пентандиол-1,4, 3-ацетил-1-пропанол, 2-циклопентенон, 4-гирокси-2-циклопентенон, 2-фурфурил-5-метилфуран, дифурфуриловый эфир.

Скачать (172KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Конверсия фурфурола и селективности образования продуктов его гидрирования в зависимости от времени реакции на Ru-катализаторах, нанесенных на: (а) мезопористый наносферический полимер; (б) мезопористый цирконосиликат; (в) мезопористый материал на основе углеродных наносфер и цирконосиликата. * Условия реакции: 170°С, 3 МПа Н2, 50 мкл фурфурола, 4 мг катализатора, 2 мл воды. ** Другие: 2-метилфуран, тетрагидро-2-метилфуран, тетрагидрофурфураль, пентанол, пентандиол-1,4, 3-ацетил-1-пропанол, 2-циклопентенон, 4-гирокси-2-циклопентенон, 2-фурфурил-5-метилфуран, дифурфуриловый эфир.

Скачать (148KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024