Cинтез гетерогенных катализаторов через поверхностные металлокомплексы

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Предложен метод получения гетерогенных катализаторов через промежуточное образование поверхностных металлокомплексных соединений с их последующим восстановлением до металла. В качестве исходных соединений выбраны комплексы Pd с диметилглиоксимом и бензонитрилом, а в качестве носителя – g-Al2O3. Образующиеся соединения затем обрабатывали водородом при 250–300°С; выделяющийся при этом лиганд отмывали от катализатора. Катализаторы исследованы методами ИК-Фурье-спектроскопии диффузного отражения, сканирующей электронной микроскопии рентгено-спектрального микроанализа и рентгеновской дифракции. Каталитические свойства исследованы в реакции парциального окисления пропана. Показано, что катализатор Pd / g-Al2O3(DMGO) проявляет бóльшую активность (TOF = 443 моль продуктов∙ (г ат Pd)–1 ч–1), чем Pd / γ-Al2O3(PhCN) (TOF = 334.4 моль продукта (г ат Pd)–1 ч–1).

Full Text

Restricted Access

About the authors

Евгений Григорьевич Чепайкин

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Author for correspondence.
Email: pomogsvetlana@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1631-021X

к.х.н., в.н.с.

Russian Federation, Черноголовка

Галина Николаевна Менчикова

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Email: pomogsvetlana@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3128-0837

н.с.

Russian Federation, Черноголовка

Роза Ибраимовна Джусупкалиева

Западно-Казахстанский аграрно-технический университет им. Жангир хана

Email: pomogsvetlana@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8916-0008

м.т.н.

Kazakhstan, Уральск

Ольга Петровна Ткаченко

Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН

Email: pomogsvetlana@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2673-0453

к.х.н., с.н.с.

Russian Federation, Москва

Леонид Модестович Кустов

Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН; Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: pomogsvetlana@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2312-3583

д.х.н., г.н.с.

Russian Federation, Москва; Москва

Иван Дмитриевич Ковалев

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Email: pomogsvetlana@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4710-837X

с.н.с., к.ф.-м.н.

Russian Federation, Черноголовка

Светлана Ибрагимовна Помогайло

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Email: pomogsvetlana@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8200-0706

к.х.н., c.н.с.

Russian Federation, Черноголовка

References

  1. Gunsalus N.J., Koppaka A., Park S.E., Bischof S.M., Hashiguchi B.G., Periana R.A. Homogeneous functionalization of methane // Chem. Rev. 2017. V. 117. № 13. P. 8521–8573. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00739
  2. Чепайкин Е.Г. Гомогенный катализ в окислительной функционализации алканов в протонных средах // Успехи химии 2011. Т. 80. № 4. С. 384–416. EDN: NEBQCX [Chepaikin E.G. Homogeneous catalysis in the oxidative functionalization of alkanes in protic media // Russ. Chem. Rev. 2011. V. 80. № 4. P. 363–396. http://dx.doi.org/10.1070/RC2011v080n04ABEH004131]
  3. Chepaikin E.G. Activation and Oxidative Functionalization of Alkanes with Noble-Metal Catalysts: Molecular Mechanisms. Ch. 2. // Alkane Functionalization. Eds: A.J.L. Pombeiro, M.F.C. Guedes da Silva. Wiley, 2019. P. 17–46.
  4. Чепайкин Е.Г., Менчикова Г.Н., Помогайло С.И. Окисление пропана: влияние природы катализатора, сокатализатора и совосстановителя // Нефтехимия. 2021. Т. 61. № 4. С. 540–546. EDN: CDQBYW. https://doi.org/10.31857/S0028242121040092. [Chepaikin E.G., Menchikova G.N., Pomogailo S.I. Oxidation of propane: influence of the nature of catalyst, cocatalyst, and coreductant // Petrol. Chemistry. 2021. V. 61. № 7. P. 781–786. https://doi.org/10.1134/S0965544121070094]
  5. Zaera F. Designing sites in heterogeneous catalysis: are we reaching selectivities competitive with those of homogeneous catalysts? // Chem. Rev. 2022. V. 122. № 9. P. 8594–8797. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00905.
  6. Беренблюм А.С., Данюшевский В.Я., Кацман Е.А. От палладиевых кластеров в растворах к нанокатализаторам на носителях для получения углеводородов // Кинетика и катализ. 2019. Т. 60. № 4. С. 411–417. EDN: OIOKHO. https://doi.org/10.1134/S0453881119040014. [Berenblyum A.S., Danyushevsky V.Y., Katsman E.A. From Palladium Clusters in Solutions to Supported Nanocatalysts for Hydrocarbon Synthesis. // Kinet. Catal. 2019. V. 60. P. 381–387. https://doi.org/10.1134/S0023158419040013]
  7. Матвеева В.Г., Валецкий П.М., Сульман М.Г., Бронштейн Л.М., Сидоров А.И., Долуда В.Ю., Гавриленко А.В., Никошвили Л.Ж., Быков А.В., Григорьев М.В., Сульман Э.М. Наноразмерные Pt-, Ru-, Pd-содержащие катализаторы для органического синтеза и решения проблем экологии // Катализ в промышленности. 2023. № 3. С. 51–63. EDN: NWYODN. [Matveeva V.G., Valetski P.M., Sulman M.G., Bronshtein L.M., Sidorov A.I., Doluda V.Yu., Gavrilenko A.V., Nikoshvili L.Zh., Bykov A.V., Grigoriev M.V., Sulman E.M. Nanosized Pt-, Ru-, and Pd-containing catalysts for organic synthesis and solution of environmental issues.//Catalysis in Industry. 2011. V. 3. № 3. С. 260–270. https://doi.org/10.1134/S2070050411030068]
  8. Рассолов А.В., Брагина Г.О., Баева Г.Н., Смирнова Н.С., Казаков А.В., Машковский И.С., Бухтияров А.В., Зубавичус Я.В., Стахеев А.Ю. Формирование изолированных моноатомных центров Pd1 на поверхности биметаллических Pd–Ag/Al2O3-катализаторов // Кинетика и катализ. 2020. Т. 61. № 5. С. 676–686. EDN: PBUUQA. https://doi.org/10.31857/S045388112005010X. [Rassolov A.V., Bragina G.O., Baeva G.N., Smirnova N.S., Kazakov A.V., Mashkovsky I.S., Bukhtiyarov A.V., Zubavichus Ya.V., Stakheev A.Yu. Formation of isolated single-atom Pd1 sites on the surface of Pd–Ag/Al2O3 bimetallic catalysts // Kinet Catal. 2020. V. 61. № 5. P. 758–767. https://doi.org/10.1134/S0023158420050080]
  9. Устюгов А.В., Корыпаев В.В., Обейда З.З., Путин А.Ю., Шварц А.Л., Брук Л.Г. Сравнение активности Pd(0) и Pd(I) в низкотемпературном окислении монооксида углерода на катализаторе Pd / γ-Al2O3 // Кинетика и катализ. 2022. Т. 63. № 2. С. 258–266. EDN: OJHWOD https://doi.org/10.31857/S0453881122020137. [Ustyugov, A.V., Korypaeva, V.V., Obeidat, Z.Z., Putin A.Y., Shvarts A.L., Bruk L.G. Comparison of the activities of Pd(0) and Pd(I) in low-temperature oxidation of carbon monoxide on the Pd / γ-Al2O3 catalyst // Kinet. Catal. 2022. V. 63. № 2. P. 226–233. https://doi.org/10.1134/S0023158422020112]
  10. Murata K., Eleeda E., Ohyama J., Yamamoto Y., Arai S., Satsuma A. Identification of active sites in CO oxidation over a Pd / Al2O3 catalyst // Phys. Chem Chem Phys. 2019. V. 21. Is. 33. P. 18128–18137. https://doi.org/10.1039/c9cp03943k
  11. Bruk L., Titov D., Ustyugov A., Zubavichus Y., Chernikova V., Tkachenko O., Kustov L., Murzin V., Oshanina I., Temkin O. The mechanism of low-temperature oxidation of carbon monoxide by Oxygen over the PdCl₂-CuCl₂/γ-Al₂O₃ nanocatalyst. // Nanomaterials. 2018 V. 8. Is. 4. P. 217. https://doi.org/10.3390/nano8040217
  12. Chetyrin I.A., Bukhtiyarov A.V., Prosvirin I.P., Khudorozhkov A.K., Bukhtiyarov V.I. In situ XPS and MS study of methane oxidation on the Pd–Pt/Al2O3 catalysts // Topics in Catalysis. 2020. V. 63. Is. 1–2. P. 66–74. https://doi.org/10.1007/s11244-019-01217-7
  13. Peng S., Ma Z., Ma J., Wang H., Chen J., Wei H., Li Y., Ao Z., Wang B. Influence of carrier effect on Pd / Al2O3 for methane complete catalytic oxidation // Front Chem. Sec. Catalytic Reactions and Chemistry. 2022. V. 10. https://doi.org/10.3389/fchem.2022.978698
  14. Wei Shi, Guangyan Xu, Xuewang Han, Yingjie Wang, Zhi Liu, Sen Xue, Nannan Sun, Xiaoyan Shi, Yunbo Yu, Hong He. Nano-sized alumina supported palladium catalysts for methane combustion with excellent thermal stability // J Environ Sci (China). 2023. April. Р. 333–347. https://doi.org/10.1016/j.jes.2022.04.030
  15. Ломоносов В.А., Панасюгин А.С., Сморыго О.Л., Микуцкий В.А., Ромашко А.Н., Тихов С.Ф., Садыков В.А. Катализаторы Pd / γ-Al2O3 на ячеистых носителях для нейтрализации паров ЛОС // Катализ в промышленности. 2010. № 6. C. 55–61. EDN: MWLFQD [Lomonosov V.A., Panasyugin A.S., Smorygo O.L., Mikutsky V.A., Romashko A.N., Tikhov S.F., Sadykov V.A. Pd / γ-Al2O3 catalysts on cellular supports for VOC vapor neutralization // Catal. Ind. 2010. V. 2. P. 387–392. https://doi.org/10.1134/S2070050410040148]
  16. He J., Zheng F., Zhou Y.., Li X., Wang Y., Xiao J., Li Y., Chen D., Lu J. Catalytic oxidation of VOCs over 3D@2D Pd / CoMn2O4 nanosheets supported on hollow Al2O3 microspheres. // J Colloid Interface Sci. 2022. May. V. 613. P. 155–167. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.01.023
  17. Тимофеев К.Л., Морилов Д.П., Харламова Т.С. Окисление 5-гидроксиметилфурфурола на нанесенных палладиевых катализаторах // Кинетика и катализ. 2023. Т. 64. № 4. С. 437–446. EDN: RSFDKW. https://doi.org/10.31857/S0453881123040147. [Timofeev K.L., Morilov D.P., Kharlamova T.S. Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural over Supported Palladium-Containing Catalysts // Kinet. Catal. 2023. V. 64. №. 4. P. 439–448. https://doi.org/10.1134/S0023158423040134]
  18. Jiang M., Wu Q., Yan J., Pan J., Dai Q., Zhan W. Si-doped Al2O3 nanosheet supported Pd for catalytic combustion of propane: effects of Si doping on morphology, thermal stability, and water resistance. // Environ Sci Pollut Res. 2021 28(40). P. 56480–56490. https://doi.org/10.1007/s11356-021-14646-3
  19. Иванова А.С. Оксид алюминия и системы на его основе: свойства и применение // Кинетика и катализ. 2012. Т. 53. № 4. С. 446–460. EDN: OZLEAP [Ivanova A.S. Aluminium oxide and systems based on it6 properties and applications // Kinet. Catal. 2012. V. 53. № 4. P. 425–439. https://doi.org/10.1134/S0023158412040039]
  20. Николаев А.В., Чистяков П.А., Чистякова Д.И., Эзжеленко Е.Ю., Либерман Т.В., Конькова Т.В., Цодиков М.В. Влияние носителя на формирование и активность золотосодержащих катализаторов конверсии этанола в бутанол // Нефтехимия. 2021. Т. 61. № 4. С. 504–519. EDN: MLODVG. https://doi.org/10.31857/S0028242121040067. [Nikolaev S.A., Chistyakov A.V., Chistyakova P.A., Ezzhelenko D.I., Liberman E.Y., Konkova T.V., Tsodikov M.V. Effects of support on the formation and activity of gold catalysts for ethanol conversion to butanol // Petrol. Chemistry. 2021. V. 61. № 7. P. 748–761. https://doi.org/10.1134/S0965544121050145]
  21. Бельская О.Б., Низовский А.И., Гуляева Т.И., Бухтияров В.И. Оксид алюминия, полученный с использованием активированного алюминия, как носитель платиновых катализаторов // Журн. прикладной химии. 2018. Т. 91. Вып. 11. С. 1602–1609. https://doi.org/10.1134/S0044461818110105. [Belskaya O.B., Nizovskii A.I., Gulyaeva T.I., Bukhtiyarov V.I. Aluminum oxide produced with the use of activated aluminum as support for platinum catalysts // Russ. J. Appl. Chem. 2018. V. 91. N 11. P. 1814–1820. https://doi.org/10.1134/s1070427218110113]
  22. Kustov A.L., Aymaletdinov T.R., Shesterkina A.A., Kalmykov K.B., Pribytkov P.V., Mishin I.V., Dunaev S.F., Kustov L.M. Methane dry reforming: influence of the SiO2 and Al2O3 supports on the catalytic properties of Ni catalysts // Mendeleev Communications. 2024. V. 34. № 2. P. 221–223. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2024.02.020
  23. Ma M., Yang R., He C., Jiang Z., Shi J.W., Albilali R., Fayaz K., Liu B. Pd-based catalysts promoted by hierarchical porous Al2O3 and ZnO microsphere supports/coatings for ethyl acetate highly active and stable destruction. // J. Hazard Mater. 2021. V. 401. ID 123281. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123281
  24. Velinova R., Todorova S., Kovacheva D., Kolev H., Karakirova Y., Markov P., Tumbalova K., Ivanov G., Naydenov A. Effect of TiO2 on Pd / La2O3-CeO2-Al2O3 systems during catalytic oxidation of methane in the presence of H2O and SO2 // Materials. 2023. V. 16. Is. 20. ID 6784. https://doi.org/10.3390/ma16206784
  25. Feng Y., Schaefer A., Hellman A., Di M., Härelind H., Bauer M., Carlsson P.A. Synthesis and Characterization of Catalytically Active Au Core─Pd Shell Nanoparticles Supported on Alumina. Langmuir. 2022 Oct 25;38(42):12859-12870. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c01834
  26. He J., Zheng F., Zhou Y., Li X., Wang Y., Xiao J., Li Y., Chen D., Lu J. Catalytic oxidation of VOCs over 3D@2D Pd / CoMn2O4 nanosheets supported on hollow Al2O3 microspheres. // J. Colloid Interface Sci. 2022. V. 613. P. 155–167. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.01.023
  27. Sandu M.P., Kovtunov M.A., Baturin V.S., Oganov A.R., Kurzina I.A. Influence of the Pd:Bi ratio on Pd-Bi/Al2O3 catalysts: structure, surface and activity in glucose oxidation // Phys Chem Chem Phys. 2021. 23(27). P. 14889–14897. https://doi.org/10.1039/d1cp01305j
  28. Машковский И.С., Марков П.В., Рассолов А.В., Патиль Е.Д., Стахеев А.Ю. Развитие методологии single-atom catalyst в современном катализе // Успехи химии. 2023. V. 92. № 8. RCR5087. EDN: IFQAAA. https://doi.org/10.59761/RCR5087
  29. Чепайкин Е.Г., Менчикова Г.Н., Помогайло С.И., Ткаченко О.П., Кустов Л.М. Парциальное окисление пропана: катализаторы с изолированными атомами палладия на γ-AL2O3 // Нефтехимия. 2023. Т. 63. № 2. С. 262–267. EDN: HLAAZQ. https://doi.org/10.31857/S0028242123020107. [Chepaikin E.G., Menchikova G.N., Pomogailo S.I., Tkachenko O.P., Kustov L.M. Partial oxidation of propane: single-site Pd / γ-Al2O3 catalysts // Pet. Chem. 2023. V. 63. № 4. P. 463–467. https://doi.org/10.1134/S0965544123030167]
  30. Anderson G. K., Lin M., Sen A., Gretz E. Bis (Benzonitrile)Dichloro Complexes of Palladium and Platinum // Inorg. Synth. 1990. V. 28. P. 60–63. https://doi.org/10.1002/9780470132593.ch13
  31. Davydov A.A. Molecular Spectroscopy of Oxide Catalyst Surfaces Wiley: Interscience Publ. 2003. 466p.
  32. Hadjiivanov K.I., Vayssilov G.N. Characterization of oxide surfaces and zeolites by carbon monoxide as an IR probe molecule // Adv. Catal. 2002. V. 47. P. 307–511. https://doi.org/10.1016/S0360-0564(02)47008-3
  33. Качала В.В., Хемчян Л.Л., Кашин А.С., Орлов Н.В., Грачев А.А., Залесский С.С., Анаников В.П. Комплексное исследование структуры и механизмов получения и превращений газообразных, жидких и твердых химических систем методами масс-спектрометрии, спектроскопии ЯМР и электронной микроскопии // Успехи химии. 2013. Т. 82. № 7. P. 648–685. EDN: QZMLBT. [Kachala V.V., Khemchyan L.L., Kashin A.S., Orlov N.V., Grachev A.A., Zalesskiy S.S., Ananikov V.P. Target-oriented analysis of gaseous, liquid and solid chemical systems by mass spectrometry, nuclear magnetic resonance spectroscopy and electron microscopy // Russ. Chem. Rev. 2013. V. 82. P. 648–685. https://doi.org/10.1070/RC2013v082n07ABEH004413]
  34. Кашин А.С., Анаников В.П. Формирование наноразмерных покрытий и наночастиц металлов путем магнетронного распыления и исследование методом сканирующей электронной микроскопии // Изв. АН Сер. Хим. 2011. № 12. С. 2551–2556. [Kashin A.S., Ananikov V.P. A SEM study of nanosized metal films and metal nanoparticles obtained by magnetron sputtering // Russ. Chem. Bull. Int. Ed. 2011. V. 60. P. 2602–2607. https://doi.org/10.1007/s11172-011-0399-x]
  35. Наканиси K. Инфракрасные спектры и строение органических соединений. М.: Мир, 1965. С. 79.
  36. Coates J. Interpretation of Infrared Spectra: A Practical Approach // Encyclopedia of Analytical Chemistry. Meyers R.A. (Ed.). John Wiley & Sons Ltd., Chichester, 2000. P. 10881–10882.
  37. Hadjiivanov K.I. Chapter Two – Identification and Characterization of Surface Hydroxyl Groups by Infrared Spectroscopy // Adv. Catal. 2014. V. 57. P. 99–318. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800127-1.00002-3
  38. Sheppard N., Nguyen T. The vibrational spectra of carbon monoxide chemisorbed on the surfaces of metal catalysts: a suggested scheme of interpretation // Advances in Infrared and Raman Specroscopy. V. 5. (Eds: R.E. Hester, R.J.H. Clark). London: Heyden and Son, 1978. P. 67–148.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic of the preparation of 0.3% Pd / γ-Al2O3(DMGO) catalyst. In the formula 0.3% Pd / γ-Al2O3(DMGO) DMGO means that the catalyst is obtained via palladium dimethylglyoximate

Download (71KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Diffractograms of γ-Al2O3 carrier (1) and catalyst (2)

Download (103KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Diffuse reflectance infrared spectra (DRIFTS) of 0.3% Pd/γ-Al2O3(DMGO) catalyst

Download (138KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. DRIFT-CO spectra of the 0.3% Pd/γ-Al2O3(DMGO) catalyst

Download (115KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. SEM micrographs of 0.3% Pd/γ-Al2O3(DMGO) sample: a - overview and b - at higher magnification. White circles in Fig. 5a are circled nanoparticles, in Fig. 5b - the same at higher magnification

Download (178KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Energy dispersive X-ray maps of the corresponding elements in 0.3% Pd/γ-Al2O3(DMGO) catalyst. a - Al, b - O, c - Pd

Download (236KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Assumed scheme of formation of propane oxidation products

Download (87KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Distribution of propane oxidation reaction products from time in the presence of 0.3% Pd/γ-Al2O3(DMGO) catalyst. Reaction conditions: 0.01 g of catalyst; [FeSO4] = 5 × 10-2 M, [H2SO4] = 5 × 10-2 M, aqueous CH3COOH 2.5 mL; [H2O] : [CH3COOH] = 1 : 3.6; T = 60°C; initial gas pressure, MPa: C3H8 = 0.68, O2 = 0.4, H2 = 0.88

Download (101KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. SEM-micrographs of 0.28% Pd/γ-Al2O3(PhCN) catalyst: a - at 1 μm resolution, b - at 300 nm resolution

Download (118KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Diffuse reflectance overview infrared spectra (DRIFTS) of the 0.28% Pd/γ-Al2O3(PhCN) catalyst

Download (161KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Diffusion reflectance infrared spectra (DRIFT-CO spectra) of 0.28% Pd/γ-Al2O3(PhCN) catalyst

Download (116KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences