Физико-химические основы формирования и механизм действия катализатора низкотемпературного окисления оксида углерода(II) в системе PdCl2 - CuCl2/y-Al2O3 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Титов, Денис Николаевич

• Титов, Денис Николаевич
• кандидат химических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат химических наук Титов, Денис Николаевич

Введение

Глава 1. Литературный обзор

Классификация, характеристика, примеры низкотемпературных катализаторов окисления оксида углерода(П)

Оксидные катализаторы (ОК)

Металлические катализаторы (МК)

Оксидно-металлические катализаторы (ОМК)

Растворённые металлокомплексные катализаторы (РМКК)

Нанесённые металлокомплексные катализаторы (НМКК)

Механизмы окисления оксида углерода(П) в присутствии комплексов палладия

Гомогенное окисление

Гетерогенное окисление

Постановка задачи

Глава 2. Методика проведения экспериментов, анализов и обработки результатов

Методика проведения экспериментов по испытанию образцов на каталитическую активность

Методика получения оксида углерода(П)

Методика проведения кинетических исследований

Обработка результатов кинетических измерений

Методика проведения хроматографического анализа

Методика расчёта скорости образования диоксида углерода и материального баланса процесса окисления монооксида углерода

Методика приготовления образцов

Изучение образцов методом порошковой рентгеновской дифрактометриии

Исследование состояния и структуры компонентов каталитической системы методом изучения тонкой структуры края поглощения рентгеновского излучения (ХАЫЕЭ) и методом изучения протяжённой осцилляционной тонкой структуры края поглощения рентгеновского излучения (ЕХАРБ)

Изучение образцов методомрастровой электронной микроскопии

Изучение образцов методом ИК-Фурье-спектроскопии диффузного рассеяния с использованием молекул-зондов (DRIFT)

Глава 3. Результаты и^ихюбсуждение

Поиск новых каталитических систем для низкотемпературного окисления оксида,углерода(П) в воздухе на основе хлоридов палладия и меди

Увеличение гидрофобных свойств носителя и готового стандартного катализатора

Промотирование катализаторов оксидами меди(Н), железа(Ш), серебра(1) и медью(О)

Поиск новых носителей для катализатора на основе хлоридов палладия(Н) и меди(Н)

Изучение фазового состава и структуры образцов 1-3 методом порошковой рентгеновской дифрактометриии с использованием синхротронного излучения

Изучение микроструктуры образцов 1-3 методом растровой электронной микроскопии (РЭМ)

Определение степени окисления и симметрии координационной сферы палладия и меди в исходных солях, пропиточных растворах и на поверхности носителя методом XANES

Изучение локального окружения палладия и меди в исходных солях, пропиточных растворах и на поверхности носителя методом EXAFS

Результаты изучения электронного состояния меди и палладия методом ИК-Фурье-спектроскопии диффузного рассеяния с использованием молекул-зондов

Изучение катализатора методом DRIFT в условиях протекания реакции окисления оксида углерода(И) в режиме operando

Изучение катализатора методами XAFS in sitU'

Механизм формирования активного центра катализа

Результаты изучения кинетических закономерностей

Выводы

Заключение диссертации по теме «Физическая химия», Титов, Денис Николаевич

Выводы;

1. Координационное окружение палладия (плоский квадрат из* атомов .хлора) не изменяется в ходе приготовления, катализатора при* переходе от твёрдого хлорида палладия(П) ((3-модификация) к водному раствору, содержащему хлорид палладия(П) и хлорид меди(П), и при нанесении хлоридов палладия и меди из водного раствора на поверхность у-АЬОз за исключением удлинения одной из четырёх связей палладий-хлор.

2. Локальное окружение меди в процессе приготовления катализатора изменяется от смешанного кислородно-хлорного тетрагонально-пирамидального в СиС12*2НгО через кислородное тетрагонально-пирамидальное в водном растворе хлорной меди(П) до не полностью регулярного кислородного окружения с вторичным взаимодействием Си.С1 в структуре Си2С1(ОН)з (паратакамит), образующейся на поверхности у-А120з.

3. На поверхности оксида алюминия возникают уникальные условия для формирования СигС1(ОН)з. Основные центры поверхности у-А1203 могут способствовать протеканию более полного гидролиза хлорида меди(Н) в пропиточных растворах.

4. На поверхности свежеприготовленного катализатора отсутствует единый активный центр, ответственный за проведение реакции окисления монооксида углерода кислородом.

5. В присутствии паров воды и монооксида углерода происходит восстановление меди и палладия и координация оксида углерода(Н) на поверхности катализатора с образованием терминальных и мостиковых карбонильных групп. Карбонильные соединения палладия являются наиболее вероятными промежуточными продуктами.

6. Превращение монооксида углерода(П), координированного палладием, в диоксид углерода происходит с участием кислорода и воды.

7. На основе дискриминации гипотез о механизме с использованием результатов, полученных с помощью физических методов и кинетических данных, предложен наиболее вероятный механизм образования диоксида углерода с участием центра(ов), включающих палладий(1), медь(1) и координированных молекул оксида углерода(И), воды и кислорода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Титов, Денис Николаевич, 2010 год

1. Ракитская, Т. Л. Катализаторы низкотемпературного окисления монооксида углерода текст] / Т. Л. Ракитская, А. А. Эннан, В. Я. Паина. Москва: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1991. - 40 с.

2. Заявка 45-20682 Япония, МКИ В 01 D. Борьба с загрязнением воздуха при помощи каталитического окисления СО текст] / X. Терен, Т. Като. Заявл.1402.67 ; опубл. 10.06.71. РЖ Химия. - 1972. - 5И520П.

3. Заявка 46-41521 Япония, МКИ В 01 J 23/17. Катализатор типа гопкалита для окисления окиси углерода текст] / К. Хатано, К. Хасэгава. № 44-1604 ; заявл.0612.68 ; опубл. 08.12.71. РЖ Химия. - 1972. - 16Л144П.

4. Пат. 3909455 США, МКИ В 01 J 11/12. Catalyst and process for making same текст] / N. В. Rainer, P. A. Wilson ; заявитель Philip Morris Inc. № 356094 ; заявл. 01.05.73 ; опубл. 30.09.75. - Изобрет. за рубежом: Реф. информ. - 1975. -Вып. 5, № 23.-С. 21.

5. Заявка 47-15681 Япония, MKHtBiOl J. Катал итическаяочисткагвоздуха* текст] / М. Фукагуса, К. Кавадзоэ ; заявитель Тамати дэнки кабусики* кайся. -Заявл. 18.03.68 ; опубл. 10.05.72. РЖ Химия. - 1973. - ЗИ523П.

6. Заявка* 55-18540?Япония? МКИ*В 01^ Dä53/36. Способ удаления окиси углерода, текст] / Тоё босэки К. К. №51-87779 ; заявл. 22.07.76 ; опубл. 20.05.80,- Изобрет. в СССР и за рубежом: Реф. информ. - 1980. - Вып. 15, № 21.-С. 42.

7. Пат. 3758666 США, МКИ В 01 D 53/34. Removal of carbon monoxide from air текст] / L. K. Frevel, L. J. Kressey ; заявитель The Dow Chemical Company. № 106555 ; заявл. 14.01.71 ; опубл. 11.09.73. - РЖ Химия. - 1984. - 15Л197П.

8. Заявка 58-119338 Япония, МКИ В 01 J 2/02, А 62 D 9/00. Адсорбент оксида углерода для масок текст] / Т. Тамура ; заявитель Дзайдан ходзин когё кайхацу кэнкюсё. № 57-2016 ; заявл. 08.01.82 ; опубл. 15.07.83. - РЖ Химия. -1984.-17Л229П.

9. Заявка 58-183947 Япония, МКИ В 01 J 23/38, В 01 D 53/36. Катализатор очистки отходящих газов текст] / А. Сэкидо, X. Татибана ; заявитель Мацусита дэнки сангё К. К. № 57-66666 ; заявл. 20.04.82 ; опубл. 27.10.83. - РЖ Химия.-1985. -10Л270П.

10. Заявка 2134004 Великобритания, МКИ В 01 J 29/00. Catalyst preparation текст] / С. J. Wright, С.F. Sampson ; заявитель UK Atomic Energy Authority. № 8334137 ; заявл. 22.12.83 ; опубл. 08.08.84. - РЖ Химия. - 1985. -ЮЛ270П.

11. Заявка 57-65331 Япония, МКИ В 01 J 23/64, 27/02. Реагент для очистки газа от СО текст] / А. Ониси, С. Исикуро, Я. Нитори, А. Ивасита ; заявитель Ниппон сэмбай кося. № 55-139422 ; заявл. 07.10.80 ; опубл. 20.04.82. - РЖ Химия. -1983. -12И550П.

12. А. с. 982758 СССР, МКИ В 01 D 53/14. Раствор для очистки газов от окиси углерода текст] / В. А. Голодов [и др.] ; заявитель ИОКЭ АН Каз. ССР и Алма-Атинск. энергетич. ин-т. № 3322884/23-26 ; заявл. 20.07.81 ; опубл. 23.12.82, Бюл. № 47.

13. Закумбаева, Г. Д. Низкотемпературное окисление СО водными растворами солей Pd текст] / Г. Д. Закумбаева [и др.] //Докл. АН СССР. 1964. -Т. 156, №6.-С. 1323-1325.

14. Пат. 4158643 США, МКИ В 01 J 21/18. Catalytic carbon for oxidation of carbon monoxide in the presence of sulphur dioxide текст] / R. K. Sinha ; заявитель

15. Calgon Corp. № 832043 ; заявл. 09.07.77, № 705649 ; заявл. 15.07.76, № 557209 ; заявл. 12.03.75 ; опубл. 19.06.79. - Изобрет. в СССР и за рубежом: Реф. информ. - 1980. - Вып. 4, № 10. - С. 79.

16. Заявка» 58-207947 Япония, МКИ* В 01 J 27/02*. Bi 01 D 53/36.

17. Катализатор для окисления оксида углерода-текст. / С. Итиносэ, И! Хории-; К. Сугимори, К. Ямамото ; заявитель К. К. Госэй. кагаку кэнкюсе. № 57-90377 ; заявл. 27.05.82 ; опубл. 03.12.83. - РЖ Химия. - 1984. - 23Л198П.

18. Заявка 59-51852 Япония, МКИ В 01 J,27/02, В 01.D*53/36. Катализатор окисления оксида углерода, текст] / К. К. Госэй кагаку кэнкюсё. № 57-90377 ; заявл. 27.05.82 ; опубл. 17.12.84. - Изобрет. стран мира: Реф. информ. - 1985. -Вып. 10, № 14-С. 47.

19. Zhang Hua. Катализатор для окисления СО при комнатной температуре текст] / Hua Zhang // Хуаньцзин хуасюэ, Environ. Chem. 1984. - T. 3, № 6. - С. 42-48. - РЖ Химия. - 1985. - 17И485.

20. Кузнецова, Л. И. Окисление оксида углерода дикислородом в присутствии палладиевых катализаторов. Перспективы создания новых низкотемпературных катализаторов реакции текст. / Л. И Кузнецова [и др.] // Кинетика иь катализ — 1985. — Т.26, вып.5.-С. 1029:

21. Tsuji, J. Palladium Reagents and Catalysts: Innovations in Organic Synthesis текст] / J. Tsuji // John Wiley & Sons 1999. - P. 560.

22. Марков, В: Д. Кинетика и механизм гомогенной каталитической активации окиси углерода в растворах текст] / В. Д. Марков, А. Б. Фасман // Ж. физ. хим. 1966. - Т. 40. - С. 1564.

23. Голодов, В. А. О реакции НгРсЬСЦ со смесью углерода в водных растворах текст] / В.А. Голодов //Ж. неорг. химии. 1964. - Т. 9. - С. 2319.

24. Голодов, В. А. Роль промежуточных карбонильных комплексов в реакции восстановления Рс1(П) и Си(М) окисью углерода текст] / В. А. Голодов [и др.] // Кинетика и катализ. 1977. - Т. 18. - С. 2343-2347.

25. Фасман, А. Б. / А. Б. Фасман и др.] // Сб. Гомогенный Катализ. -Фрунзе: Илим. 1970. - С. 160.

26. Тёмкин, О. Н. О механизме реакций окиси углерода в водных и спиртовых растворах комплексов палладия текст. / О. Н. Темкин [и др.] // Гомогенное окисление. Алма-Ата, 1978. - С. 3.

27. Фасман, А. Б. Кинетика и механизм восстановления НгРс1Вг4 окисью углерода в водных растворах текст] / А. Б. Фасман, Г. Г. Кутюков, Д. В. Сокольский // Докл. АН СССР. 1964. - Т. 158. - С. 1176.

28. Голодов, В. А. Каталитическое восстановление п-бензохинона окисью углерода в жидкой фазе текст] / В. А. Голодов, А. Б. Фасман, Д. В. Сокольский // Докл. АН СССР. -1963.-Т. 151.-С. 98.

29. Шитова, Н. Б. Окисление этилена п-бензохиноном. в присутствии аквакомплекса Рс1(П) текст] / Н. Б. Шитова, К. И. Матвеев, А. А. Обыночный // Кинетика и катализ.-1971.-Т. 12, № 6.-С. 1417.

30. Шитова, Н. Б. Влияние природы окислителя на скорость окисления этилена в присутствии аквакомплекса Рс1(И) текст] / Н. Б. Шитова, Л. И. Кузнецова, К. И. Матвеев // Кинетика и катализ. 1974. - Т. 15, № 1. - С.72.

31. Жижина, Е. Г. Окисление окиси углерода сильными окислителями в присутствии комплексов Рс1(11) текст] II Е. Г. Жижина, Л. И. Кузнецова, К. И. Матвеев II Кинетика и катализ. 1984. - Т. 25, № 5. - С. 1095.

32. Пальчевская, Т. А. / Т. А. Пальчевская// Катализ и катализаторы : сб: -Киев: Наук, думка: 1979. - Вып. 17. - С. 9.

33. Сокольский, Д. В: / Д. В. Сокольский, Я. А. Дорфман // Катализ лигандами в водных растворах : сб. Алма-ата, Наука. - 1972. - С. 242.

34. Спицын; В: И: Кинетика и механизм, каталитического восстановления Cu(ll) окисью углерода в присутствии хлорида палладия(М) текст] / В. И. Спицын [и др.] II Журн. неорг. химии. 1978. - Т. 23. - С. 454.

35. Жижина, Е. Г. Влияние природы окислителей на механизм процесса окисления оксида углерода в присутствии аквакомплекса Pd(ll) текст] / Е. Г. Жижина, К. И. Матвеев, Л. И. Кузнецова // Кинетика и катализ. 1985. - Т. 26, № 2.-С. 461.

36. Фасман, А. Б. Каталитическое восстановление неорганических соединений окисью углерода в жидкой фазе текст] / А. Б. Фасман, В. Д. Марков, Д. В. Сокольский // Журн. прикл. химии. 1965. - Т. 38. - С. 791.

37. Пальчевская, Т.А., Автореф. дис. на соискание уч. ст. канд. хим. наук. -Киев: ИФХ АН УССР. 1983.

38. Feltham, R. D. Oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide by nickel-nitrogen dioxide complexes: a mechanistic study текст] / R. D. Feltham, J. C. Kriege // JACS. 1979. -V. 101. - P. 5064.

39. Kuznetsova, N.I. The mechanism of formation of ethylene glycol monoacetate from ethylene in the system MeC02H+LiN03+Pd(0Ac)2 текст] / N. I. Kuznetsova [et al.] // Chem. Commun. 1982. - P. 973.

40. Лихолобов, В. А. Каталитическое окисление окиси углрода в присутствии фосфиновых комплексов палладия текст] // В. А. Лихолобов [и др.] // Кинетика и катализ. 1974. - Т. 15, № 6. - С. 1613.

41. Зудин, В. Н. Каталитический синтез перекиси водорода из кислорода и воды в присутствии окиси углерода и фосфиновых комплексов палладия текст] / В. Н. Зудин, В. А. Лихолобов, Ю. И. Ермаков // Кинетика и катализ. 1977. - Т. 18, №4.-С. 921.

42. Крылов, О. В. Гетерогенный катализ. Учебник. / О. В. Крылов. М*: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 679 е.: ил.

43. Desai, М. N: Low-temperature oxidation of СО by a heterogenized Wacker catalyst / M: N. Desai et. al.] [текст] // Journal of catalysis. 1983. - Vol. 79, №2. - P. 95 -103.

44. Ракитская, Т-. Л. Состав и; каталитическая активность гидроксобромидных комплексов палладия(И) в реакциях окисления монооксида углерода текст] // Ракитская Т.Л., Паина В.Я., Эннан А.А.// Координац. химия: -1987. Т. 13, вып. 10. - С. 1393-1397.

45. Ракитская, Т. Л. Влияние содержания воды на. каталитическую, активность нанесённых комплексов Pd(ll) и Cu(ll) в реакции окисления монооксида углерода текст] / Т. Л. Ракитская, В. Я. Паина // Кинетика и катализ. -1990.-Т. 31, вып. 2. С. 371-375.

46. Choi, K.I. СО oxidation over Pd and Cu catalysts I. Unreduced PdCI2 and CuCI2 dispersed on alumina or carbon текст] // K.I. Choi, M. A. Vannice // Journal of Catal. 1991. -V. 127, №2. - P. 465-488.

47. Choi, K.I. CO oxidation over Pd and Cu catalysts II. Unreduced bimetallic PdCI2—CuCI2 dispersed on Al203 or carbon текст] // K.I. Choi, M. A. Vannice // Journal of Catal. 1991. - V. 127, №2. - P. 489-511.

48. Choi, K.I. CO oxidation over Pd and Cu catalysts III. Reduced Al203-supported Pd текст] // K.I. Choi, M. A. Vannice // Journal of Catal. 1991. -V. 131, №1. - P. 1-21.

49. Yamamoto, Yasushi. Structure and electronic state of PdCI2-CuCI2 catalysts supported on activated carbon текст] / Yasushi Yamamoto [et. al.] // Journal of catalysis 1996. - Vol. 161. - P. 577-586.

50. Lee, J. S. Supported PdCl2-CuCI2 catalysts for carbon monoxide oxidation II. XAFS characterization текст] / J. S. Lee [et. al.] // Applied catalysis B: environmental 1996. - Vol. 7. - P. 199-212.

51. Park, E. D. Effects of copper phase on CO oxidation over supported wackertype catalysts текст] / E. D. Park, J. S. Lee // Journal of catalysis 1998. - Vol. 180. -P. 123-131.

52. Park, E. D. Effect of surface treatment of the support on CO oxidation over carbone-supported wacker-type catalysts текст] / E. D. Park, J. S. Lee // Journal of catalysis 2000. - Vol. 193. - P. 5-15.

53. Котарева, И. А. Кинетика и механизм окисления монооксида углерода на нанесённом металлокомплексном катализаторе PdCl2-CuCI2/y-AI203 текст] / И. А. Котарева [и др.] // Кинетика и катализ 2008. - Т. 49, № 5. - С. 22-30.

54. Кацман Е. А'. Пакет программ для построения и анализа кинетических моделей и его применение : учебно-методическое пособие текст] / Е. А. Кацман, А. С. Беренблюм М:: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2010. - 48 с.

55. Велигжанин, А. А. Работы по комплексной рентгеновской диагностике материалов на станции «структурное материаловедение» курчатовского источника синхротронного излучения в 2007 году текст] / А. А. Велигжанин [и др.] М.: Препринт, 2008. - 60 с.

56. Зубавичус, Я: В. Рентгеновское и синхротронное излучение в, физико-химических, исследованиях текст] / Я. В. Зубавичус [и др.] II Успехи-химии--2001. Т. 70, № 5. - С. 429-463.

57. Hammersley, А. P. FIT2D V9.129. Reference Manual. V3.1. ESRF Internal Report: ESRF98HA01T текст] / А. P. Hammersley. 1998.

58. Ravel, B. ATHENA, ARTEMIS, HEPHAESTUS: data analysis for X-ray absorption spectroscopy using IFEFFIT текст] I B. Ravel, M. Newville II J. synchrotron rad. 2005. -Vol. 12.-P. 537-541.

59. Ankudinov, A. L. Real-space multiple-scattering calculation of XANES текст] / A. L. Ankudinov [et al.] // Phys. rev. В 1998. - Vol. 58. - P. 7565-7576.

60. Лурье, А. А. Сорбенты и хроматографические носители. Справочник текст] / А. А. Лурье. М.: «Химия», 1972. - 320 с.

61. Haney, М. A. Mass spectrometry determination of proton affinities of various molecules текст] / M. A. Haney, J. L. Franklin // J. Phys. Chem. 1969. - V. 73.-P. 4328-4331.

62. Medin, A. S. On the unusual mechanism Lewis acidity manifestation in HZSM-5 zeolites текст] / A. S. Medin [et al.] // Zeolites. 1990. -V. 10. - P. 668-673.

63. Angell C. L. Infrared spectroscopic investigation of zeolites and adsorbed molecules. IV. Acetonitrile текст] / С. L. Angell, M. V. Howell // J. Phys. Chem. -1969. -V. 73. P. 2551-2554.

64. Pursell, K: G. Studies of the Bonding in Acetonitrile Adducts / K. G. Pursell, R. S. Drago текст] II J. Am. Chem. Soc. 1966. - Vol. 88. - P. 919-924.

65. Hosokawa, Takahiro. Palladium-copper-DMF complexes involved, in the oxidation of alkenes / Takahiro Hosokawa et. al.] // Journal of organometallic chemistry 1998. - Vol. 551. - P. 387-389.

66. Автор благодарен Московскому правительству за финансовую поддержку.