Простой синтез Ni@N/C катализатора, инкапсулированного в N-легированный графен, и его применение для высокоселективного полугидрирования алкинов

Источник: Facile synthesis of N-doped graphene encapsulated Ni@N/C catalyst and its catalysis for highly selective semi-hydrogenation of alkynes, Green Chemical Engineering, Volume 3, Issue 4, 2022

Введение

Полугидрирование алкинов до алкенов — важная трансформация в органическом синтезе, широко применяемая в тонкой химии и нефтепереработке. Хотя алкины легко гидрируются до алкенов с использованием катализаторов на основе Pd, Pt, Rh, Ru, Ir, основной проблемой остается образование нежелательных алканов. В промышленности алкены являются ключевыми промежуточными продуктами для синтеза полимеров, каучуков и пластмасс. Однако примеси алкинов и алканов отравляют катализаторы полимеризации, поэтому разработка методов селективного гидрирования алкинов до алкенов крайне важна.

На сегодняшний день для полугидрирования алкинов разработаны различные высокоэффективные катализаторы на основе благородных металлов.

Однако катализаторы на основе доступных металлов (Fe, Co, Ni) остаются более перспективными из-за низкой стоимости и экологичности. Проблемы, такие как сложность синтеза лигандов, трудности разделения продуктов и нестабильность катализаторов в кислых средах, ограничивают их промышленное применение.

Для решения этих проблем были разработаны катализаторы со структурой «ядро-оболочка», где активные наночастицы металла защищены графеновым слоем. Графен, благодаря своей уникальной проводимости и механической прочности, является идеальной подложкой для таких катализаторов.

В данной работе представлен простой и экологичный метод синтеза катализатора Ni@N/C, инкапсулированного в тонкий слой N-легированного графена. Исследованы его химический состав, морфология, фазовая структура и каталитическая активность в полугидрировании терминальных алкинов.

Методика полугидрирования алкинов на катализаторе Ni@N/C-1 в проточном реакторе

Полугидрирование алкинов с использованием катализатора Ni@N/C-1 проводили в проточном реакторе H-Flow-10 (производства Ou Shi Sheng (Beijing) Technology Co., Ltd., Китай).

Процедура эксперимента:

1. Подготовка катализатора
   • Благодаря магнитным свойствам катализатора, 1.2 г Ni@N/C-1 зафиксировали на магнитном шаре диаметром 10 мм
   • Катализатор поместили в реакционную трубку
2. Подготовка реакционной системы
   • Систему продували азотом (N₂) для удаления кислорода
   • Реакционную трубку промывали метанолом для очистки.
3. Запуск реакции
   • Реакционную трубку нагревали до заданной температуры
   • Устанавливали необходимое давление водорода (H₂) в соответствии с условиями реакции
   • 0.08 М раствор фенилацетилена в метаноле подавали в реактор с определенной скоростью потока
4. Сбор и анализ продуктов
   • Реакционная смесь выходила из реакционной трубки с установленной скоростью потока
   • Продукты реакции собирали и анализировали методом газовой хроматографии (ГХ)

Заключение

В данной работе представлен простой и эффективный метод синтеза Ni-катализатора, инкапсулированного в тонкий N-легированный графеновый слой (Ni@N/C). Установлено, что источник азота оказывает значительное влияние на физические свойства катализатора, а также на взаимодействие между носителем и активными металлическими центрами. Это, в свою очередь, определяет каталитическую активность и селективность Ni@N/C в реакции полугидрирования ароматических алкинов.

Оптимизированный катализатор Ni@N/C продемонстрировал высокую активность и селективность в полугидрировании фенилацетилена в мягких условиях. Более 10 различных ароматических алкинов были успешно преобразованы в соответствующие алкены с высокой конверсией и селективностью.

Таким образом, Ni@N/C представляет собой перспективный и экономически выгодный катализатор для селективного гидрирования алкинов, альтернативный традиционным системам на основе благородных металлов.