青島能源所開發出高穩定性的還原胺化催化劑

2022-04-02 12:29:28

伯胺和亞胺是重要的有機化工原料,在有機化學工業中占有巨大市場份額。青島能源所王光輝研究員帶領的多孔催化材料研究組開發了一類碳摻雜且顆粒尺寸可控的NiCx新型催化劑,這類催化劑在生物質基羰基化合物還原胺化制備伯胺和亞胺的反應中,表現出優異的活性、選擇性以及穩定性(中國發明專利202110919247.3),相關研究發表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering《美國化學會可持續化學與工程》雜志上。

伯胺和亞胺在生產合成樹脂及塑料、吸附劑、染料、香料、藥物和化妝品等領域具有廣泛的應用價值。目前,采用羰基化合物還原胺化工藝來生產伯胺和亞胺是工業上最有效的途徑之一,但是該過程中容易出現過度加氫的現象,導致伯胺和亞胺的產率低,分離困難,成本增加。均相催化劑的使用可以提高伯胺和亞胺的選擇性,但是后處理工藝復雜,催化劑成本高。近年來,過渡金屬基非均相催化劑被大量應用于還原胺化反應中,引起人們的廣泛關注。但是,在還原胺化腐蝕性的反應環境中,金屬基催化劑的穩定性比較差;反應物和產物中的有機胺往往會強吸附在金屬基催化劑表面上,導致催化劑加氫能力降低;此外,在催化劑循環使用過程中,金屬基催化劑的活性位會發生燒結、流失、氧化和積碳,導致催化劑失活。因此,如何提高金屬基催化劑在還原胺化反應中的穩定性仍存在巨大挑戰。

該研究團隊以聚合物球為還原劑、碳源和尺寸控制劑,首先在聚合物表面原位生長類水滑石基前驅體,隨后采用惰性氣氛中焙燒自還原的方法實現NiCx新型催化劑的合成,并在合成過程中通過調變聚合物的量,制備了顆粒尺寸分別為7.5 nm (NiAl-10)和47.5 nm (NiAl-5)的兩種催化劑,并證明通過改變催化劑的顆粒尺寸,可以實現伯胺和亞胺選擇性的定向調控。另外,由于催化劑表面Ni-Cx的形成,NiAl-10和NiAl-5催化劑分別經過循環使用10次,都沒有失活現象,表現出優異的催化穩定性,而且循環過程中伯胺和亞胺的選擇性均始終大于99%。此外,NiAl-10和NiAl-5催化劑及還原胺化體系對于多種羰基化合物的還原胺化反應均表現出優異性能,具有很好的工業化應用前景。

論文第一作者是青島能源所的潘政宜副研究員,通訊作者是青島能源所的王光輝研究員。該工作得到國家自然科學基金和山東省自然科學基金等項目的資助。(文/圖 潘政宜)

圖1. NiAl-10(7.5 nm)和NiAl-5(47.5 nm)催化劑及其還原胺化性能.

相關論文和專利:

1. 原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c00800

Zhengyi Pan, Qian Zhang, Wenquan Wang, Lulin Wang and Guang-Hui Wang*. Size-Tunable Carbon-Doped Ni Nanoparticles for Switchable Reductive Amination of Biomass-Derived Carbonyl Compounds to Primary Amines and Secondary Imines. ACS Sustainable Chem. Eng. 2022, 10, 11, 3777-3786.

2. 專利:一種Ni基催化劑及其制備方法與在還原胺化中的應用,申請號:202110919247.3

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