脂肪胺修饰的CoO纳米粒子催化分子氧选择氧化芳香烃

doi:10.1016/S1872-2067(19)63413-3

催化学报 ›› 2019, Vol. 40 ›› Issue (10): 1488-1493.DOI: 10.1016/S1872-2067(19)63413-3

脂肪胺修饰的CoO纳米粒子催化分子氧选择氧化芳香烃

刘梦^a,b, 石松^a, 赵丽^a,b, 陈晨^a,c, 高进^a, 徐杰^a

a 中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室, 洁净能源国家实验室(筹), 辽宁大连 116023;
b 中国科学院大学, 北京 100049;
c 宁波大学材料科学与化学工程学院, 浙江宁波 315211

收稿日期:2019-06-28 修回日期:2019-07-19 出版日期:2019-10-18 发布日期:2019-08-26
通讯作者: 徐杰, 石松
基金资助:
国家自然科学基金（21790331，21603218）；中国科学院战略性先导科技专项（XDA21030400，XDB17020300）.

Aliphatic amines modified CoO nanoparticles for catalytic oxidation of aromatic hydrocarbon with molecular oxygen

Meng Liu^a,b, Song Shi^a, Li Zhao^a,b, Chen Chen^a,c, Jin Gao^a, Jie Xu^a

a State Key Laboratory of Catalysis, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian 116023, Liaoning, China;
b University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
c School of Materials Science & Chemical Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, Zhejiang, China

Received:2019-06-28 Revised:2019-07-19 Online:2019-10-18 Published:2019-08-26
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21790331, 21603218) and the Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences (XDA21030400, XDB17020300).

摘要/Abstract

摘要： 以分子氧为氧化剂实现烃类的选择氧化在学术研究和工业应用中均具有重要的意义.钴氧化物（CoO_x）纳米粒子在催化烃类选择氧化过程中具有较高的催化活性，其粒径、孔结构以及组分等因素均对催化活性有着重要的影响.由于烃类氧化反应过程中生成的产物分子极性大于底物分子，使得疏水的催化剂对该类反应有利.而CoO_x由于自身表面羟基的存在呈亲水性质，因此可以通过疏水修饰进一步提升CoO_x的催化活性.我们课题组报道了通过有机硅烷的修饰方法制备了疏水钴基二氧化硅材料，该过程是通过对载体的间接修饰而达到调控催化剂亲疏水微环境的目的.然而，关于CoO_x活性位点的直接疏水修饰较少报道，对于CoO_x进行修饰制备疏水纳米粒子是一个具有挑战性的工作.
本文利用有机胺对CoO_x纳米粒子进行有机修饰，得到了丁胺（BA）修饰的BA-CoO和十二胺（DA）修饰的DA-CoO催化剂，静态水滴接触角分别为126°和143°，证明了其表面呈疏水性质，并且二者疏水角度具有一定的差异.通过X射线粉末衍射测定了催化剂的晶型为立方相CoO，从高分辨透射电镜结果也观察到了CoO（111）晶面的晶格条纹，晶面间距为0.25 nm.通过透射电镜表征方法，对纳米粒子的形貌和粒径大小进行分析，BA-CoO和DA-CoO均为纳米立方体的形貌，其中DA-CoO的纳米粒子相对均匀并且粒径更小，这可能是由于DA的碱性相对于BA较弱，从而使得前驱体分解更慢导致.进一步通过红外光谱和X射线光电子能谱证明了纳米粒子中有机胺的存在.
在催化芳香烃类分子氧氧化反应中，疏水性的DA-CoO和BA-CoO均表现出比亲水性的CoO更高的催化活性，其中DA-CoO催化乙苯转化率为53%，苯乙酮选择性为78%；而亲水的CoO对应的转化率和选择性分别为18%和69%.通过利用DA和2-辛醇体系对商品化的CoO进行修饰，经过250℃处理5 h得到了疏水的CoO，水滴接触角为143°.将该催化剂应用在乙苯氧化中，对比处理前后的催化剂活性，转化率从18%提高到45%，这说明疏水性质是影响CoO催化乙苯氧化活性的重要因素.有机胺修饰的CoO纳米粒子在烃类催化氧化中的活性增加，这种有机胺修饰的方法为其它金属氧化物的疏水性修饰提供了参考.

关键词: 烃氧化, 疏水修饰, 有机胺修饰, 钴氧化物, 表面修饰

Abstract: The surface modification of metal oxides using organic modifiers is a potential strategy for enhancing their catalytic performances. In this study, a hydrophobic surface amine-modified CoO catalyst with a water contact angle of 143° was fabricated. The catalyst was characterized by XRD, TGA, FT-IR, HR-TEM, and XPS. The results showed that the fabricated catalyst performed better than the hydrophilic commercial CoO nanoparticle in the process of aromatic hydrocarbon oxidation. After the amines modification, commercial CoO also became hydrophobic and improved conversion of ethylbenzene was achieved. The surface modification of CoO with amines induced the hydrophobicity property, which could serve as a reference for the design of other hydrophobic catalysts.

Key words: Hydrocarbon oxidation, Hydrophobic modification, Amines coating, Cobalt oxide, Surface modification

刘梦, 石松, 赵丽, 陈晨, 高进, 徐杰. 脂肪胺修饰的CoO纳米粒子催化分子氧选择氧化芳香烃[J]. 催化学报, 2019, 40(10): 1488-1493.

Meng Liu, Song Shi, Li Zhao, Chen Chen, Jin Gao, Jie Xu. Aliphatic amines modified CoO nanoparticles for catalytic oxidation of aromatic hydrocarbon with molecular oxygen[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2019, 40(10): 1488-1493.

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参考文献

[1] A. K. Suresh, M. M. Sharma, T. Sridhar, Ind. Eng. Chem. Res., 2000, 39, 3958-3997.
[2] J. M. Thomas, R. Raja, G. Sankar, R. G. Bell, Nature, 1999, 398, 227-230.
[3] T. Punniyamurthy, S. Velusamy, J. Iqbal, Chem. Rev., 2005, 105, 2329-2363.
[4] M. S. Hamdy, A. Ramanathan, T. Maschmeyer, U. Hanefeld, J. C. Jansen, Chem. -Eur. J., 2006, 12, 1782-1789.
[5] C. Chen, J. Xu, Q. Zhang, Y. Ma, L. Zhou, M. Wang, Chem. Commun., 2011, 47, 1336-1338.
[6] X. Li, L. Zhou, J. Gao, H. Miao, H. Zhang, J. Xu, Powder Technol., 2009, 190, 324-326.
[7] G. Zhang, D. E. Wang, P. Feng, S. Shi, C. Wang, A. Zheng, G. Lü, Z. Tian, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1207-1215.
[8] M. Y. Zhang, L. F. Wang, H. B. Ji, B. Wu, X. P. Zeng, J. Nat. Gas Chem., 2007, 16, 393-398.
[9] C. Zhang, Y. Bai, Y. Yin, J. Gu, Y. Sun, Korean J. Chem. Eng., 2011, 28, 602-607.
[10] D. N. Srivastava, N. Perkas, G. A. Seisenbaeva, Y. Koltypin, V. G. Kessler, A. Gedanken, Ultrason. Sonochem., 2003, 10, 1-9.
[11] L. Zhou, J. Xu, H. Miao, F. Wang, X. Li, Appl. Catal. A, 2005, 292, 223-228.
[12] T. Liu, H. Cheng, L. Sun, F. Liang, C. Zhang, Z. Ying, W. Lin, F. Zhao, Appl. Catal. A, 2016, 512, 9-14.
[13] H. Li, L. Li, Y. Li, Nanotechnol. Rev., 2013, 2, 515-518.
[14] W. Shi, L. Cao, H. Zhang, X. Zhou, B. An, Z. Lin, R. Dai, J. Li, C. Wang, W. Lin, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 9704-9709.
[15] C. Chen, J. Xu, Q. Zhang, H. Ma, H. Miao, L. Zhou, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 2855-2860.
[16] M. Wang, C. Chen, Q. Zhang, Z. Du, Z. Zhang, J. Gao, J. Xu, J. Chem. Technol. Biotechnol., 2010, 85, 283-287.
[17] C. Chen, S. Shi, M. Wang, H. Ma, L. Zhou, J. Xu, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 8126-8134.
[18] L. Wang, F.-S. Xiao, ChemCatChem, 2014, 6, 3048-3052.
[19] T. Li, J. Wang, F. Wang, L. Zhang, Y. Jiang, H. Arandiyan, H. Li, ChemCatChem, 2019, 11, 1576-1586.
[20] J. Zhang, X. Liu, R. Blume, A. Zhang, R. Schlögl, D. S. Su, Science, 2008, 322, 73-77.
[21] F. Studt, F. Abild-Pedersen, T. Bligaard, R. Z. Sorensen, C. H. Christensen, J. K. Norskov, Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 9299-9302.
[22] L. D. Ellis, R. M. Trottier, C. B. Musgrave, D. K. Schwartz, J. W. Medlin, ACS Catal., 2017, 7, 8351-8357.
[23] X. Jia, J. Ma, F. Xia, Y. Xu, J. Gao, J. Xu, Nat. Commun., 2018, 9, 933.
[24] M. Tamura, R. Kishi, Y. Nakagawa, K. Tomishige, Nat. Commun., 2015, 6, 8580.
[25] L. Li, X. Sun, X. Qiu, J. Xu, G. Li, Inorg. Chem., 2008, 47, 8839-8846.
[26] X. Liu, M. Atwater, J. Wang, Q. Dai, J. Zou, J. P. Brennan, Q. Huo, J. Nanosci. Nanotechnol., 2007, 7, 3126-3133.
[27] Y. Tian, B. Yu, X. Li, K. Li, J. Mater. Chem., 2011, 21, 2476-2481.
[28] Z. Xu, C. Shen, Y. Hou, H. Gao, S. Sun, Chem. Mater., 2009, 21, 1778-1780.
[29] B. Ernst, S. Libs, P. Chaumette, A. Kiennemann, Appl. Catal. A, 1999, 186, 145-168.
[30] T. Garcia, S. Agouram, J. F. Sánchez-Royo, R. Murillo, A. M. Mastral, A. Aranda, I. Vázquez, A. Dejoz, B. Solsona, Appl. Catal. A, 2010, 386, 16-27.
[31] Y. Chen, S. Zhao, Z. Liu, Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 14012-14020.
[32] K. B. Klepper, O. Nilsen, H. Fjellvåg, Thin Solid Films, 2007, 515, 7772-7781.

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Aliphatic amines modified CoO nanoparticles for catalytic oxidation of aromatic hydrocarbon with molecular oxygen

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[1]	汪晋, 萧祖耀, 徐梽川, 任肖. 烯烃的选择性电化学氧化: 研究进展与前景[J]. 催化学报, 2023, 53(10): 34-51.
[2]	龚隽, 李金梦, 刘畅, 魏丰源, 殷金龙, 李文正, 肖丽, 王功伟, 陆君涛, 庄林. 鸟嘌呤调控质子转移促进铜电催化CO₂还原选择制甲烷[J]. 催化学报, 2022, 43(12): 3101-3106.
[3]	李露露, 葛成艳, 季稼伟, 谭伟, 王鑫, 魏小倩, 郭凯, 汤常金, 董林. Mo的引入方式对CeO₂脱硝性能的影响[J]. 催化学报, 2021, 42(9): 1488-1499.
[4]	李佳原, 朱勇, 李斐, 刘国权, 许素显, 孙立成. 修饰吡啶衍生物的染料敏化光阳极水氧化性能的研究[J]. 催化学报, 2021, 42(8): 1352-1359.
[5]	张祥勇, 刘添滢, 郭挺, 韩雪莹, 木宗云, 陈强, 蒋江民, 闫婧, 袁加仁, 王德志, 吴壮志, 寇宗魁. 可控表面磷原子修饰提升超细W₂C纳米颗粒电解水析氢反应性能[J]. 催化学报, 2021, 42(10): 1798-1807.
[6]	胡文德, 邵正将, 曹宵鸣, 胡培君. Co₃O₄(110)表面甲烷催化燃烧中的单位点和多位点性能对比:第一性原理动力学蒙特卡洛研究[J]. 催化学报, 2020, 41(9): 1369-1377.
[7]	李露露, 李佩晓, 谭伟, 马凯莉, 邹伟欣, 汤常金, 董林. 表面Mo修饰提高CeTiO_x催化剂低温脱硝性能[J]. 催化学报, 2020, 41(2): 364-373.
[8]	黎小芳, 伍晓锋, 刘升卫, 李宇涵, 范佳杰, 吕康乐. 光催化的氟效应[J]. 催化学报, 2020, 41(10): 1451-1467.
[9]	王蘅, 胡仙桃, 马亚娟, 朱大建, 李涛, 王靖宇. 硝酸根接枝诱导组装金红石相TiO₂纳米束以增强光催化产氢[J]. 催化学报, 2020, 41(1): 95-102.
[10]	谢顺吉, 王野. 催化选择氧化领域近年研究进展、挑战与展望[J]. 催化学报, 2019, 40(s1): 129-142.
[11]	林梦雅, 于晓琳, 杨雪芹, 马秀云, 葛茂发. 钴基水滑石衍生物催化甲醛氧化活性成分的探究[J]. 催化学报, 2019, 40(5): 703-712.
[12]	蒋华麟, 刘军, 厉梦琳, 田磊, 丁攻圣, 陈萍华, 罗旭彪. 通过一种新型共前驱体的方法简单合成能增强TiO₂可见光光催化活性的C修饰及Fe,N共掺杂的TiO₂材料[J]. 催化学报, 2018, 39(4): 747-759.
[13]	林军奇, 马宝春, 陈敏东, 丁勇. 具有μ-OH,μ-O₂双钴核结构的基于多吡啶配体的配合物催化水氧化反应的能力[J]. 催化学报, 2018, 39(3): 463-471.
[14]	郑龙辉, 于晓娟, 龙明策, 李琪琳. 磷酸根和Nafion修饰TiO₂表面腐植酸调控的可见光催化降解苯酚性能[J]. 催化学报, 2017, 38(12): 2076-2084.
[15]	李一冰, Ali Jawad, Aimal Khan, 卢小艳, 陈朱琦, 刘卫东, 尹国川. 负载型铜钴氧化物协同催化H₂O₂/HCO₃^-降解苯酚[J]. 催化学报, 2016, 37(6): 963-970.