酸碱催化剂及其催化作用.ppt
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1、,第三章 各类催化剂及催化作用,本章重点内容,3,酸碱催化剂 分子筛催化剂 金属催化剂 金属氧化物催化剂 络合催化剂,3.1酸碱催化剂及其催化作用,酸碱的基本概念-应用、定义与分类酸碱的性质及表征固体酸的结构及其性质固体酸的催化作用及催化机理超强酸,杂多酸,离子交换树脂催化剂,工业上重要的酸碱催化反应:催化裂化,烷烃异构化,芳烃异构化,烷基化转移,烷基化,芳烃烷基化,水合反应,酯化反应,烃类芳构化 酸碱催化剂是石油化工中使用最多的催化剂,其催化作用是通过质子或电子对的转移得以实现的 工业上应用的酸催化剂多数是固体酸,常见的有硅酸铝、氧化物、分子筛,金属盐类、酸性离子交换树脂等,酸碱催化剂的应用
2、,3.1.2 酸碱定义1.【酸碱电离理论】S.A Arrhenius(阿累尼乌斯)酸碱(1)能在水溶液中给予出质子(H+)的物质称为酸。(2)能在水溶液中给出羟基离子(OH-)的物质为碱称。2.【酸碱质子理论】对酸碱定义(B酸碱)(1)凡是能给出质子的物质称为酸(2)凡是能接受质子的物质称为碱3.【酸碱电子理论】定义(L酸碱)(1)所谓酸,乃是电子对的受体。如BF3(2)所谓碱,则是电子对的供体。如NH39,不适用于固体物质,3.1.2 催化中的酸碱定义 凡是能给出质子或者接受电子对的物质称为酸(B酸或L酸)NH3十H3ONH4十H2O 凡是能接受质子或者给出电子对的物质称为碱(B碱或L碱)B
3、F3十:NH3 F3B:NH310,B碱,B酸,B碱,B酸,L酸,L碱,络合物,3.1.3 酸碱催化剂的分类 酸碱催化剂主要是元素周期表中的主族元素从IA到A的一些氢氧化 物、氧化物、盐和酸,也有一部分是副族元素的氧化物和盐。液体酸:H2SO4,H3PO4,HCl水溶液,醋酸等 液体碱:NaOH水溶液,KOH水溶液 固体酸 固体碱,3.1.3 酸碱催化剂的分类 固体酸碱的种类(p59),典型固体酸催化的反应示例,催化作用多样性,3.1.4 酸碱的性质及表征 3.1.4.1 酸位中心的类型与表征,固体酸催化反应的活性中心:B酸,L酸表征方法:碱性物质(氨、吡啶、三甲基胺、正 丁胺等)的吸附 红外
4、光谱方法:在高真空的系统中一定温度下进行,真空度为10-4Pa。首先是净化催化剂表面,然后引入吡啶或NH3等碱性气体,在它们的一定蒸汽压下进行气固吸附,达到吸附平衡后,根据测试需要在一定得温度下进行真空处理,使真空度达10-4Pa,然后进行测试。一般氧化态样品在放入静态吸附装置之前应当在马弗炉中在一定温度下焙烧脱水;还原态样品,应在还原气氛中处理一定时间。,氨吸附NH3是强碱性分子,其N上的孤对电子有比较高的质子亲合势。另外NH3分子的动力直径较小(0.165 nm)可用于定量测定微孔、中孔和大孔的内表面酸性,不受孔大小的限制,因而是常用于酸性测定的探针分子。NH3易与质子酸作用形成质子化的N
5、H4+离子,其N-H弯曲振动在红外光谱中呈现1450cm-1 特征吸收带。NH3以其独对电子与L酸配位形成L:NH3,其红外吸收带出现在1640cm-1 附近。因此通常使用1450cm-1 和1630 cm-1分别作为质子酸和路易斯酸的表征。NH3在固体表面上吸附和脱附时应在500 K以下进行,高温下NH3 在L酸上离解为NH2和NH,取代原有的羟基,干扰酸性测定。氨在某些金属氧化物上,如MnO3、WO3、TiO2上会生成氮化物。,3.1.4.1 酸位中心的类型与表征,氨在硅酸铝上的红外吸收,3.1.4.1 酸位中心的类型与表征,3.1.4.1 酸位中心的类型与表征,吡啶吸附Parry首先提出
6、了利用C5H5N吸附测定氧化物表面上的L酸和B酸。,1540cm-1处有特征峰,B型酸,1450cm-1处有特征峰,L-酸配位,1490cm-1附近的吸收带是B酸和L酸部位叠加的结果,3.1.4.1 酸位中心的类型与表征,被吸附吡啶的不同吸收带的归属,SiO2表面酸性中心,从图可以看出吡啶在SiO2上的吸附只是物理吸附。150 抽真空后,几乎全部脱附,进一步表明纯SiO2上没有酸性中心。,23,3.1.4.1 酸位中心的类型与表征,Al2O3表面酸性中心,Al2O3表面只有L酸中心(1450cm-1),看不到B酸中心,24,3.1.4.1 酸位中心的类型与表征,SiO2-Al2O3表面酸性中心
7、,吡啶吸附在SiO2-Al2O3 表面上的红外光谱。在200 抽真空后于16001450 cm-1 范围内出现1540cm-1表面除存在L 酸部位外,尚存在B 酸部位。,25,3.1.4.1 酸位中心的类型与表征,26,HY沸石表面酸性中心,400脱水后HY 沸石出现三个羟基峰3744、3635、3545 cm-1吡啶吸附再经150抽真空后1540 cm-1(B)和1450cm-1(L)420抽空后,B 酸中心上吸附的吡啶(1540 cm-1)和L 酸中心上吸附的吡啶仍十分强。且3635 cm-1羟基峰也未能恢复。表明HY沸石表面3635 cm-1峰的羟基是非常强的B 酸中心。同时HY沸石表面
8、的L 酸中心也是强酸中心。几何形状的吸附选择性可用于判断HY沸石大笼和小笼中的酸性位。,3.1.4.1 酸位中心的类型与表征,L酸中心与B酸中心的转化,3.1.4.1 酸位中心的类型与表征,硅酸铝的酸中心转化,空间位阻分子的选择性吸附检测酸中心类型,3.1.4.1 酸位中心的类型与表征,VS.,位阻效应,只能作用于B酸中心;可用于定量测定表面酸中心的类型分布,3.1.4.1 酸位中心的类型与表征,核磁共振 NMR紫外光谱,酸强度是指给出质子的能力(B酸强度)或接受电子对或结合负离子的能力(L酸强度)哈梅特(Hammett)酸强度函数H0:固体酸中心将吸附于其上的中性有机碱转变为共轭酸的能力,3
9、.1.4 酸碱的性质及表征 3.1.4.2 固体酸强度,Hammett酸函数(H0),以B表示碱性的Hammett指示剂,H+表示酸部位的质子,当B结合H+后生成共轭酸BH+,指示剂由没有和酸作用的碱型色变为共轭酸的酸型色。B碱型色;BH+酸型色BH+酸的解离平衡常数,Hammett酸函数(H0),Hammett酸函数表达式,Hammett酸函数(H0),变色点),H0越小,酸性越强,测定酸强度的指示剂,固体酸强度测定,Hammett指示剂法采用pKa不同的Hammett指示剂,通过指示剂颜色变化情况进行酸强度的测定例:能使二肉桂丙酮变红但不能使共叉乙酰苯变黄的催化剂的酸性强度是?,酸量:固体
10、酸表面的酸量,通常指催化剂单位重量或者单位表面积上所含酸中心数目(毫摩尔数)的多少。(mmol/wt,mmol/m2),3.1.4 酸碱的性质及表征 3.1.4.2 固体酸浓度(酸量),3.1.4.2 固体酸酸量,酸量分布,硅酸铝催化剂,非水溶剂碱滴定法在非水溶剂(如苯、石油醚、正庚烷、异辛烷、四氯化碳)中,分别加入一系列指示剂,用有机碱可以测定固体表面酸所消耗有机碱的量,从而可以测定固体表面酸量;借助于系列指示剂的显色可以判断表面酸强度,并可求出表面酸量按强度的分布。酸量测定经典方法:Hammett指示剂-正丁胺滴定法常使用的碱有正丁胺、己二胺、喹啉和吡啶。正丁胺挥发性能低并能够进入到催化剂
11、微孔内,所以被广泛采用,3.1.4.3 固体酸性(强度&酸量)测定,Hammett指示剂-正丁胺滴定法实例:例1:若以黄醌为指示剂检测催化剂强度时呈酸型色,说明该催化剂中含有强度H0-8.2的酸部位,然后以正丁胺惰性溶剂标准溶液滴定至黄醌显示出碱型色,则由消耗正丁胺的量可以确定出H0-8.2的酸度;依此类推,可以测定得酸度对强度的分布图。例2:取在烘干的硫酸镍(75150m)0.5g,放入苯中,滴加几滴二甲基黄(pKa=3.3),以0.140mol/L正丁胺的苯溶液滴定,共用0.55ml,相当于1g催化剂需0.11mmol的正丁胺和酸中心发生作用,于是得到H0+3.3的酸度为0.11mmol/
12、g,因硫酸镍比表面为11m2/g,因此酸度又可表示为0.01mmol/m2,3.1.4.3 固体酸性测定,判定方法目测法分光光度法当目测法对指示剂颜色判断有困难或不准确时,特别是使用pK-5.6的指示剂(无色黄色)时,使用紫外可见分光光度法会得到更准确的结果,3.1.4.3 固体酸性测定,有机碱和指示剂分子在固体表面上的竞争吸附过程,即指示剂分子和有机碱分子吸附在同样的酸性位上,指示剂分子不能接近的酸性位,有机碱也与其无相互作用。这样,消耗有机碱的数量才能表示欲测强度酸性位的数量。在实际测定过程中,使用指示剂的数量要非常低,只能使一小部分酸性位与指示剂分子作用,绝大多数酸性位被碱性分子所中和。
13、这样才能得到比较准确的结果。,3.1.4.3 固体酸性测定,采用Hammett指示剂法测定固体表面酸性,要注意所用试剂的干燥程度和纯度,特别注意实验条件确保达到吸附平衡,否则很难得到可靠的结果。在实际测定过程中,为了加速平衡状态的到达,可采用超声波振荡器加强搅拌。用Hammett指示剂法测定微孔物质(例如分子筛)的表面酸性时,必须考虑孔径大小对指示剂分子和有机碱分子扩散的抑制作用。样品粒度不小于100目。,3.1.4.3 固体酸性测定,优点Hammett指示剂法测定表面酸性,方法简单,操作方便,可以提供表面酸量按强度分布的信息,并可得到在各实验室之间进行对比的结果。缺点只能测定不带颜色的固体,
14、固体的孔径必须有一定的大小,吸附平衡的到达受许多条件的制约。不能区分质子酸和路易斯酸。,3.1.4.3 固体酸性测定,怀疑用Hammett指示剂法在室温测定的酸性,能否反映在高温催化反应条件下酸性位的性质?将正丁胺滴定结果与催化活性进行关联中取得成功,Hammett指示剂的局限性与其优点相比是第二位的。具体操作方法参见:工业催化剂分析测试表征,刘希尧等编著,中国石化出版社,1990年,第一版。,3.1.4.3 固体酸性测定,?,3.1.4.3 固体酸性测定,碱性气体吸附法某碱性气体在酸中心上吸附时,吸附在强酸中心上的比在弱酸中心稳定,通过不同温度下脱附的吸附碱相对量可测定酸中心。碱性分子(如氨
15、、吡啶、正丁胺等)的程序升温脱附(TPD)常用于表征固体表面的酸中心强度和酸中心数。各种碱性物质的吸附热也可作为测量固体表面酸中心强度的手段。吸附热对应于酸中心强度,酸中心强度越大,吸附热越大。碱的吸附测量可以用常规的静态容量或重量装置,也可以采用程序升温脱附法取得数据。,3.1.4.3 固体酸性测定-TPD法,程序升温脱附法(TPD)基本原理:在程序温控的反应器中,装入一定量的固体酸催化剂样品,在一定条件下(依具体情况和需要)对催化剂进行预处理后,在一定的温度、压力及载气流速条件下,进行吸附质(如吡啶,NH3,正丁胺等)的吸附,待达到吸附平衡后,脱除过量及物理吸附的吸附质,用线性或指数方式对
16、反应器进行程序升温脱附,脱附的吸附质随载气进入检测系统(如质谱),记录吸附质的脱附量与脱附温度(或时间)的关系,即可得程序升温谱图,如以NH3为吸附质,称为NH3-TPD。该设备和操作比较简单,效果好,已成为研究催化剂的常用方法。,3.1.4.3 固体酸性测定-TPD法,可采用的装置气相色谱仪:在流出的气体中将脱附气体的浓度作为样品温度的函数进行监测,并且将浓度温度图称之为TPD剖面图热分析仪,3.1.4.3 固体酸性测定-TPD法,张进,肖国民。分 子 催 化,2002,16(4):307,3.1.4.3 固体酸性测定-TPD法,TPD谱图分析:脱附峰数目代表固体表面具有不同酸强度的酸中心类
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