负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒在无溶剂苯甲醇氧化中有效抑制甲苯的生成

doi:10.1016/S1872-2067(17)62904-8

催化学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (11): 1870-1879.DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62904-8

负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒在无溶剂苯甲醇氧化中有效抑制甲苯的生成

车建伟^a, 郝梦佳^a, 易武中^a, Hisyoshi Koyshi^b, 周宇恒^a, 肖丽萍^a, 范杰^a

a 浙江大学化学系浙江省应用化学重点实验室, 浙江杭州 310027;
b 京都工艺纤维大学, 日本京都606-8585

收稿日期:2017-07-12 修回日期:2017-08-13 出版日期:2017-11-18 发布日期:2017-11-24
通讯作者: 范杰
基金资助:
国家自然科学基金（21271153，21373181，21222307，U1402233）；国家自然科学基金重大研究计划（91545113）；中央高校基本科研业务费专项资金（2014XZZX003-02）.

Selective suppression of toluene formation in solvent-free benzyl alcohol oxidation using supported Pd-Ni bimetallic nanoparticles

Jianwei Che^a, Mengjia Hao^a, Wuzhong Yi^a, Hisayoshi Kobayashi^b, Yuheng Zhou^a, Liping Xiao^a, Jie Fan^a

a Key Lab of Applied Chemistry of Zhejiang Province, Department of Chemistry, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China;
b Department of Chemistry and Materials Technology, Kyoto Institute of Technology, Kyoto 606-8585, Kyoto Prefecture, Japan

Received:2017-07-12 Revised:2017-08-13 Online:2017-11-18 Published:2017-11-24
Contact: 10.1016/S1872-2067(17)62904-8
Supported by:
This work was supported by National Natural Science Foundation of China (21271153, 21373181, 21222307, U1402233), Major Research Plan of National Natural Science Foundation of China (91545113), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2014XZZX003-02).

摘要/Abstract

摘要：

醇类化合物的选择性氧化是实验室和工业应用中一类重要的官能团转化反应.以分子氧为氧化剂，在液相无溶剂条件下温和氧化符合绿色化学的要求.负载型Pd基催化剂因其优异的催化活性而在该反应中得到广泛应用.但是，单金属Pd催化剂对反应目标产物醛类化合物的选择性还有待提高.例如，在苯甲醇液相无溶剂氧化中，甲苯是在单金属Pd催化剂上的主要副产物.针对这一问题，除了对载体进行改性和修饰外，开发双金属Pd基催化剂也是一种有效的选择性调控策略.虽然已有的Pd-Au双金属催化剂可以在一定程度上降低甲苯的选择性，但是在较高温度和较高转化率下仍然难以控制甲苯的大量生成.
本文采用固相合金化法合成了负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒.该方法首先以硝酸镍为镍的前驱体浸渍介孔二氧化硅，然后负载钯纳米颗粒.在高温固相还原条件下，作为种子的钯纳米颗粒和镍通过原子迁移和生长，形成Pd-Ni双金属纳米颗粒.扫描透射电镜、能量色散X射线光谱、X射线衍射和X射线光电子能谱等表征证实了Pd-Ni双金属纳米颗粒的生成.上述催化剂用于苯甲醇液相无溶剂氧化，催化结果显示Ni的加入可以抑制副产物甲苯的生成，并且随Ni负载量增加，甲苯的选择性（在80%等转化率下）由22.6%（单金属Pd）降低至1.6%（双金属Pd₁Ni₂₀）.尽管Ni的加入降低了单金属Pd的活性，但是由于提高了目标产物苯甲醛的选择性，醛的最终产率得到提升.进一步催化研究表明，Ni的加入可以抑制无氧氛围下甲苯的生成，说明Ni可以抑制歧化反应和降低表面氢浓度.这种作用可归结于Pd-Ni双金属的协同效应.该效应得到了CO吸附的傅里叶变换漫反射红外光谱和密度泛函理论研究的证实.双金属的几何效应和电子效应均减弱了苯甲醇在双金属纳米颗粒表面的解离吸附和相互作用，导致苯甲醇的吸附减弱，同时C-O键断裂不易进行.另外，由于Ni的亲氧性，双金属纳米颗粒表面有利于氧的吸附，降低吸附氢的浓度，减少C-H键生成，从而抑制甲苯的生成.

关键词: 钯-镍, 双金属纳米颗粒, 苯甲醇, 甲苯, 无溶剂, 氧化

Abstract:

The solvent-free oxidation of benzyl alcohol was studied using supported Pd-Ni bimetallic nanopar-ticles. Compared with monometallic Pd, the addition of Ni to Pd was found to be effective in sup-pressing the nondesired product toluene, thereby enhancing the selectivity towards benzaldehyde. This result was attributed to a dual effect of Ni addition:the weakening of dissociative adsorption of benzyl alcohol and the promotion of oxygen species involved in the oxidation pathway.

Key words: Palladium-nickel, Bimetallic nanoparticle, Benzyl alcohol, Toluene, Solvent-free, Oxidation

车建伟, 郝梦佳, 易武中, Hisyoshi Koyshi, 周宇恒, 肖丽萍, 范杰. 负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒在无溶剂苯甲醇氧化中有效抑制甲苯的生成[J]. 催化学报, 2017, 38(11): 1870-1879.

Jianwei Che, Mengjia Hao, Wuzhong Yi, Hisayoshi Kobayashi, Yuheng Zhou, Liping Xiao, Jie Fan. Selective suppression of toluene formation in solvent-free benzyl alcohol oxidation using supported Pd-Ni bimetallic nanoparticles[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(11): 1870-1879.

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参考文献

[1] T. Mallat, A. Baiker, Chem. Rev., 2004, 104, 3037-3058.
[2] S. E. Davis, M. S. Ide, R. J. Davis, Green Chem., 2013, 15, 17-45.
[3] K. Mori, T. Hara, T. Mizugaki, K. Ebitani, K. Kaneda, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 10657-10666.
[4] H. L. Wu, Q. H. Zhang, Y. Wang, Adv. Synth. Catal., 2005, 347, 1356-1360.
[5] F. Li, Q. H. Zhang, Y. Wang, Appl. Catal. A, 2008, 334, 217-226.
[6] P. F. Zhang, Y. T. Gong, H. R. Li, Z. R. Chen, Y. Wang, Nat. Commun., 2013, 4, 1593.
[7] Z. A. Qiao, P. F. Zhang, S. H. Chai, M. F. Chi, G. M. Veith, N. C. Gallego, M. Kidder, S. Dai, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 11260-11263.
[8] N. Dimitratos, J. A. Lopez-Sanchez, D. Morgan, A. Carley, L. Prati, G. J. Hutchings, Catal. Today, 2007, 122, 317-324.
[9] M. Sankar, E. Nowicka, R. Tiruvalam, Q. He, S. H. Taylor, C. J. Kiely, D. Bethell, D. W. Knight, G. J. Hutchings, Chem. Eur. J., 2011, 17, 6524-6532.
[10] T. Homma, T. Kitaoka, Chem. Eng. J., 2016, 285, 467-476.
[11] B. Wang, M. Lin, T. P. Ang, J. Chang, Y. H. Yang, A. Borgna, Catal. Commun., 2012, 25, 96-101.
[12] Y. T. Chen, Z. Guo, T. Chen, Y. H. Yang, J. Catal., 2010, 275, 11-24.
[13] Y. B. Yan, Y. T. Chen, X. L. Jia, Y. H. Yang, Appl. Catal. B, 2014, 156-157, 385-397.
[14] Y. M. Lu, H. Z. Zhu, J. W. Liu, S. H. Yu, ChemCatChem, 2015, 7, 4131-4136.
[15] D. I. Enache, J. K. Edwards, P. Landon, B. Solsona-Espriu, A. F. Car-ley, A. A. Herzing, M. Watanabe, C. J. Kiely, D. W. Knight, G. J. Hutchings, Science, 2006, 311, 362-365.
[16] D. I. Enache, D. Barker, J. K. Edwards, S. H. Taylor, D. W. Knight, A. F. Carley, G. J. Hutchings, Catal. Today, 2007, 122, 407-411.
[17] Q. He, P. J. Miedziak, L. Kesavan, N. Dimitratos, M. Sankar, J. A. Lopez-Sanchez, M. M. Forde, J. K. Edwards, D. W. Knight, S. H. Tay-lor, C. J. Kiely, G. J. Hutchings, Faraday Discuss., 2013, 162, 365-378.
[18] R. Ferrando, J. Jellinek, R. L. Johnston, Chem. Rev., 2008, 108, 845-910.
[19] A. K. Singh, Q. Xu, ChemCatChem, 2013, 5, 652-676.
[20] Y. Xu, L. Chen, X. C. Wang, W. T. Yao, Q. Zhang, Nanoscale, 2015, 7, 10559-10583.
[21] J. K. A. Clarke, Chem. Rev., 1975, 75, 291-305.
[22] F. Gao, D. W. Goodman, Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 8009-8020.
[23] N. Tsubaki, S. L. Sun, K. Fujimoto, J. Catal., 2001, 199, 236-246.
[24] A. Yarulin, I. Yuranov, F. Cárdenas-Lizana, D. T. L. Alexander, L. Kiwi-Minsker, Appl. Catal. A, 2014, 478, 186-193.
[25] K. A. Goulas, S. Sreekumar, Y. Y. Song, P. Kharidehal, G. Gunbas, P. J. Dietrich, G. R. Johnson, Y. C. Wang, A. M. Grippo, L. C. Grabow, A. A. Gokhale, F. D. Toste, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 6805-6812.
[26] D. J. Childers, N. M. Schweitzer, S. M. K. Shahari, R. M. Rioux, J. T. Miller, R. J. Meyer, J. Catal., 2014, 318, 75-84.
[27] M. Armbrüster, M. Behrens, F. Cinquini, K. Föttinger, Y. Grin, A. Haghofer, B. Klötzer, A. Knop-Gericke, H. Lorenz, A. Ota, S. Penner, J. Prinz, C. Rameshan, Z. Révay, D. Rosenthal, G. Rupprechter, P. Sautet, R. Schlögl, L. D. Shao, L. Szentmiklósi, D. Teschner, D. Torres, R. Wagner, R. Widmer, G. Wowsnick, ChemCatChem, 2012, 4, 1048-1063.
[28] S. J. Freakley, Q. He, J. H. Harrhy, L. Lu, D. A. Crole, D. J. Morgan, E. N. Ntainjua, J. K. Edwards, A. F. Carley, A. Y. Borisevich, C. J. Kiely, G. J. Hutchings, Science, 2016, 351, 965-968.
[29] T. Komatsu, K. Inaba, T. Uezono, A. Onda, T. Yashima, Appl. Catal. A, 2003, 251, 315-326.
[30] G. C. Ma, X. Q. Yan, Y. L. Li, L. P. Xiao, Z. J. Huang, Y. P. Lu, J. Fan, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 9596-9597.
[31] R. Sato, M. Kanehara, T. Teranishi, Small, 2011, 7, 469-473.
[32] Y. Tang, S. D. Xu, Y. H. Dai, X. Q. Yan, R. H. Li, L. P. Xiao, J. Fan, Chem. Commun., 2014, 50, 213-215.
[33] M. C. Payne, M. P. Teter, D. C. Allan, T. A. Arias, J. D. Joannopoulos, Rev. Mod. Phys., 1992, 64, 1045-1097.
[34] V. Milman, B. Winkler, J. A. White, C. J. Pickard, M. C. Payne, E. V. Akhmatskaya, R. H. Nobes, Int. J. Quantum Chem., 2000, 77, 895-910.
[35] J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 1996, 77, 3865-3868.
[36] J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 1997, 78, 1396.
[37] D. Vanderbilt, Phys. Rev. B, 1990, 41, 7892-7895.
[38] J. Saha, K. Bhowmik, I. Das, G. De, Dalton Trans., 2014, 43, 13325-13332.
[39] C. Y. Du, M. Chen, W. G. Wang, G. P. Yin, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2011, 3, 105-109.
[40] J. Zhao, A. Sarkar, A. Manthiram, Electrochim. Acta, 2010, 55, 1756-1765.
[41] K. S. Kim, N. Winograd, Chem. Phys. Lett., 1975, 30, 91-95.
[42] S. M. Foiles, M. I. Baskes, M. S. Daw, Phys. Rev. B, 1986, 33, 7983-7991.
[43] M. F. Zhou, L. Andrews, C. W. Bauschlicher, Chem. Rev., 2001, 101, 1931-1961.
[44] M. A. Matin, J. H. Jang, Y. U. Kwon, J. Power Sources, 2014, 262, 356-363.
[45] D. M. Meier, A. Urakawa, A. Baiker, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 21849-21855.
[46] N. Dimitratos, J. A. Lopez-Sanchez, D. Morgan, A. F. Carley, R. Tiru-valam, C. J. Kiely, D. Bethell, G. J. Hutchings, Phys. Chem. Chem. Phys., 2009, 11, 5142-5153.
[47] A. Savara, C. E. Chan-Thaw, I. Rossetti, A. Villa, L. Prati, Chem-CatChem, 2014, 6, 3464-3473.
[48] P. Liu, J. K. Nørskov, Phys. Chem. Chem. Phys., 2001, 3, 3814-3818.
[49] B. Hammer, J. K. Nørskov, Adv. Catal., 2000, 45, 71-129.
[50] R. J. Hou, W. T. Yu, M. D. Porosoff, J. G. Chen, T. F. Wang, J. Catal., 2014, 316, 1-10.
[51] A. Villa, D. Ferri, S. Campisi, C. E. Chan-Thaw, Y. Lu, O. Kröcher, L. Prati, ChemCatChem, 2015, 7, 2534-2541.
[52] S. Y. Shan, V. Petkov, L. F. Yang, J. Luo, P. Joseph, D. Mayzel, B. Pra-sai, L. Y. Wang, M. Engelhard, C. J. Zhong, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 7140-7151.

负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒在无溶剂苯甲醇氧化中有效抑制甲苯的生成

Selective suppression of toluene formation in solvent-free benzyl alcohol oxidation using supported Pd-Ni bimetallic nanoparticles

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[1]	唐小龙, 李锋, 李方, 江燕斌, 余长林. 单原子催化剂在光催化和电催化合成过氧化氢中的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 79-98.
[2]	石靖, 郭煜华, 谢飞, 章名田, 张洪涛. 氧化还原活性配体的电子效应对钌催化水氧化反应的影响[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 271-279.
[3]	孙嘉辰, 陈赛, 付东龙, 王伟, 王显辉, 孙国栋, 裴春雷, 赵志坚, 巩金龙. 氧扩散与表面反应在VO_x-Ce_1‒_xZr_xO₂催化丙烷脱氢反应中的影响[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 217-227.
[4]	刘勇, 赵晓丽, 隆昶, 王晓艳, 邓邦为, 李康璐, 孙艳娟, 董帆. 原位构筑动态Cu/Ce(OH)_x界面用于高活性、高选择性和高稳定性硝酸盐还原合成氨[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 196-206.
[5]	孙丽娟, 于晓慧, 唐丽永, 王伟康, 刘芹芹. 构建K₃PW₁₂O₄₀/CdS核壳S型异质结实现同步太阳能光催化分解水和选择性苯甲醇氧化反应[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 164-175.
[6]	王思恺, 闵祥婷, 乔波涛, 颜宁, 张涛. 单原子催化: 追寻催化领域的“圣杯”[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 1-13.
[7]	关志朋, 杨东锋, 刘钊, 朱书祥, 仲星星, 王华敏, 李向伟, 戚孝天, 易红, 雷爱文. 区域选择性地电化学氧化自由基参与的邻位-(4 + 2)/原位-(3 + 2)环化[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 144-153.
[8]	张雯, 宋彩彩, 王嘉蔚, 蔡舒婷, 高梦语, 冯有祥, 鲁统部. 双向主客体作用促进水溶液中选择性光催化CO₂还原与醇氧化[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 176-186.
[9]	江梓聪, 程蓓, 张留洋, 张振翼, 别传彪. 氧化锌基梯型异质结光催化剂[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 32-49.
[10]	邹心仪, 顾均. 酸性条件下二氧化碳高效电还原策略[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 14-31.
[11]	刘博文, 蔡家杰, 张建军, 谭海燕, 程蓓, 许景三. MOF/CdS梯型光催化剂同时进行苯甲醇氧化和析氢反应及其机理研究[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 204-215.
[12]	李晓娟, 祁明雨, 李婧宇, 谭昌龙, 唐紫蓉, 徐艺军. PdS修饰的ZnIn₂S₄复合材料用于可见光催化硫醇偶联制备二硫化物同时产氢[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 55-65.
[13]	吴殷琦, 陈倩倩, 陈琦, 耿强, 张巧玉, 郑宇璁, 赵晨, 张龑, 周佳海, 王斌举, 许建和, 郁惠蕾. 精准调控Baeyer-Villiger单加氧酶的底物选择性以避免拉唑亚砜的过氧化[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 157-167.
[14]	程璐, 陈许宁, 胡培君, 曹宵鸣. 双氧水对于单核铜分子筛催化甲烷直接氧化制甲醇反应性能的利弊[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 135-144.
[15]	尹春, 杨甫林, 王书莉, 冯立纲. 异质结构NiSe₂/MoSe₂用于高效尿素辅助电解水制氢[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 225-236.