催化学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (12): 2181-2188.DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63827-5

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无定形硅铝负载镍催化剂上乙烯齐聚反应的活性位点结构鉴定

续晶华a, 王瑞锋a,b, 张亚茹a,b, 李林a, 严文君c, 王俊英c, 刘国东a, 苏雄a,#(), 黄延强a,*(), 张涛a   

  1. a中国科学院大连化学物理研究所应用催化科学与技术中国科学院重点实验室, 辽宁大连116023
    b中国科学院大学, 北京100049
    c中国科学院山西煤炭化学所, 分析仪器中心, 山西太原030001
  • 收稿日期:2021-02-01 接受日期:2021-02-01 出版日期:2021-12-18 发布日期:2021-05-20
  • 通讯作者: 苏雄,黄延强
  • 基金资助:
    科技部重点研发计划(2016YFA0202804);中科院B类先导专项(XDB36030200);国家自然科学基金(21978286);国家自然科学基金(21925803);中科院青年创新促进会;中国博士后科学基金(2018M631835)

Identification of the structure of Ni active sites for ethylene oligomerization on an amorphous silica-alumina supported nickel catalyst

Jinghua Xua, Ruifeng Wanga,b, Yaru Zhanga,b, Lin Lia, Wenjun Yanc, Junying Wangc, Guodong Liua, Xiong Sua,#(), Yanqiang Huanga,*(), Tao Zhanga   

  1. aCAS Key Laboratory of Science and Technology on Applied Catalysis, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China
    bUniversity of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
    cAnalytical Instrumentation Center, Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Taiyuan 030001, Shanxi, China
  • Received:2021-02-01 Accepted:2021-02-01 Online:2021-12-18 Published:2021-05-20
  • Contact: Xiong Su,Yanqiang Huang
  • About author:# E-mail: suxiong@dicp.ac.cn
    * Tel: +86-411-84379416; Fax: +86-411-84685940; E-mail: yqhuang@dicp.ac.cn;
  • Supported by:
    National Key R&D Program of China(2016YFA0202804);Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDB36030200);National Natural Science Foundation of China(21978286);National Natural Science Foundation of China(21925803);Youth Innovation Promotion Association(CAS);China Postdoctoral Science Foundation(2018M631835)

摘要:

镍(Ni)基催化剂在低碳烯烃聚合领域具有重要的地位, 也是该领域研究的热点. 自Johnson等报道(J. Am. Chem. Soc., 1995, 117, 6414-6415)二亚胺配体络合的Ni(II)催化剂可有效降低烯烃聚合度, 降低产物中非线性烯烃的选择性, 甚至可以生成α-烯烃以来, 掀起了Ni基催化剂在烯烃聚合领域的研究热潮. 从均相到负载型多相Ni基催化剂, 从载体类型到配体性质, 从Ni纳米粒子的粒径调控到金属表面价态, 关于Ni活性中心的研究工作一直存在争论. 本课题组之前研究结果表明, 曾明确了无定形硅铝(ASA)载体负载的Ni催化剂, 经惰性气氛(N2)预处理得到的一价Ni是烯烃齐聚反应的主要活性中心(J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1991, 126-127).

本文进一步深入研究了不同Al2O3含量的ASA载体上Ni活性位点的结构及其在乙烯齐聚反应中的活性.27Al NMR 结果表明, 催化剂中的铝存在三种配位方式, 分别为Al、Al和Al, 其中Al含量随Al2O3含量的增加而增加. 载体中铝配位方式的不同, 导致其表面金属负载的金属Ni活性位点所处的结构亦不同. 原位FTIR-CO和H2-TPR实验结果表明, 催化剂表面存在两种不同结构分布的Ni位点, 分别是接枝在弱酸性硅醇上的Ni2+阳离子和Si-(OH)-Al桥式羟基离子交换位置的Ni2+阳离子. 多数研究者认为, 位于离子交换位置处孤立的Ni阳离子是反应的活性中心. 然而, 近期有研究者提出负载在酸性硅烷醇表面孤立的Ni2+阳离子为反应的活性中心物质. 本文研究发现, 随着Al2O3负载量的降低, 处于离子交换位置处的Ni2+离子含量逐渐减少, 而处于硅醇缺陷位点处的Ni2+离子含量则逐渐增多. 原位FTIR-CO分析结果表明, 处于硅醇缺陷位点处的Ni2+离子物种在惰性气氛中更易于转化为活性中心Ni+. 相应的催化反应结果表明, 相比于离子交换位置的Ni2+物种, 具有与硅醇缺陷位点相连的Ni2+离子结构更有利于表现出更高的乙烯齐聚化活性. 由此可知, 处于硅醇缺陷位点的Ni2+物种是乙烯齐聚反应的活性中心的前驱体.

本文进一步研究了硅醇缺陷位点处的Ni2+离子物种更易于转化为活性中心Ni+的原因. H2-TPR结果表明, 相比于离子交换位置的Ni2+物种, 处于硅醇缺陷位点的Ni2+物种与载体之间的相互作用力更弱. C2H4-TPD结果进一步表明, 具有这种相对较弱的金属载体间作用力结构的催化剂对反应物C2H4分子的吸附作用力相对更强, 吸附量也相对增多, 因此其乙烯齐聚的催化性能更优. 本研究结果对理解活性中心结构和合理设计催化剂提供参考.

关键词: 负载镍催化剂, 无定型硅铝, 傅里叶变换红外, 活性中心, 乙烯齐聚

Abstract:

Abstract: The structure of Ni active sites supported on amorphous silica-alumina supports with different contents of Al2O3 loadings in relation to their activities in ethylene oligomerization were investigated. Two kinds of Ni sites were detected by in situ FTIR-CO and H2-TPR experiments, that are Ni2+ cations as grafted on weak acidic silanols and Ni2+ cations at ion-exchange positions. The ethylene oligomerization activities of these Ni/ASA catalysts were found an ascending tendency as the Al2O3 loading decreased, which could be attributed to the enriched concentration of Ni2+ species on acidic silanols with a weaker interaction with the amorphous silica-alumina support. These Ni2+ species were more easily to be evolved into Ni+ species, which has been identified to be the active sites of ethylene oligomerization. Thus, it seems reasonable to conclude that Ni2+ species grafted on acidic silanols were the precursors of active sites.

Key words: Supported nickle catalyst, Amorphous silica-alumina, FT-IR, Active sites, Ethylene oligomerization