催化学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (12): 2181-2188.DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63827-5
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
Jinghua Xua, Ruifeng Wanga,b, Yaru Zhanga,b, Lin Lia, Wenjun Yanc, Junying Wangc, Guodong Liua, Xiong Sua,#(), Yanqiang Huanga,*(
), Tao Zhanga
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AlⅣ、AlⅤ和AlⅥ, 其中AlⅣ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.