Способ приготовления катализатора и способ получения пероксида водорода

Способ приготовления катализатора и способ получения пероксида водорода

Реферат

Изобретение относится к катализатору и процессу каталитического метода синтеза пероксида водорода путем окисления водорода кислородом.

Пероксид водорода - перспективный окислитель, который можно использовать в очистке сточных вод, в синтезе, как портативный источник кислорода и во многих других областях. Основной метод получения данного продукта - это антрахиноновый процесс, который рентабелен только при больших объемах производства. Недостатки данного способа - высокая стоимость теплообменного и экстракционного оборудования и большой расход дорогого хинона.

Альтернативным способом синтеза пероксида водорода является метод прямого синтеза из водорода и кислорода с использованием палладиевых катализаторов (С. Samanta // Appl. Catal. A. 250 (2008) 133-149). Недостатком данного процесса является низкая селективность, из-за чего производительность оказывается низкой.

Известно, что добавки золота к палладиевому катализатору существенно увеличивают селективность процесса. Обычно катализаторы готовят совместной пропиткой носителей (Al₂O₃, TiO₂, C, SiO₂ и др.) растворами солей PdCl₂ и HAuCl₄ с последующей термообработкой [J.K. Edwards // J. Catal. 292 (2012) 227-238; G.J. Hutchings // Science 323 (2009) 1037-1041]. Недостатком данного метода приготовления катализаторов является то, что не обеспечивается селективный контакт атомов золота с атомами палладия, в результате чего снижается производительность и селективность катализаторов.

Недостатком известного метода (US 6387346, C01B 15/01, 14.05.2002), где активный компонент катализатора синтезировали методом распылительной сушки из кислого (pH=1.5-2) совместного раствора хлоридов Pd и Au, является высокая температура закалки металлических наночастиц 900-1050°C, использованная для образования сплавов Au и Pd. Применение таких температур приводит к образованию слишком крупных частиц и снижению производительности катализатора. Кроме того, нанесение сформированных наночастиц металлов проводилось пропиткой носителя золем частиц, что не обеспечивает равномерного распределения частиц активного компонента по поверхности носителя и может приводить к снижению их дисперсности, что также снижает производительность катализатора.

Изобретение решает задачу по созданию золотопалладиевого катализатора, обладающего более высокой активностью и селективностью, чем известные катализаторы.

Задача решается способом приготовления золотопалладиевого катализатора окисления водорода молекулярным кислородом до пероксида водорода, включающим стадии нанесения предшественников металлов на носитель и последующей термообработки, при котором в качестве предшественников золота и палладия используют анионные и катионные комплексы, которые образуют при взаимодействии друг с другом малорастворимое соединение комплексной соли.

В качестве предшественников золота и палладия могут быть использованы анионные комплексы [Pd(C₂O₄)₂]^2-, [Pd(CN)₄]^2-, [PdCl₄]^2-, [AuCl₄]^-, [AuBr₄]^- в сочетании с катионными комплексами [Pd(dien)H₂O]²⁺, [Pd(en)₂]²⁺, [Au(pap)₂]⁺, [Au(en)₂]³⁺, [Au(dien)Cl]²⁺, [Au(HDMG)₂]⁺ (где: pap=2-фенилазофенил, en=этилендиамин, dien=диэтилентриамин, HDMG=однозарядный анион диметилглиоксима HON=C(-CH₃)-C(-CH₃)=NO^-), которые образуют при взаимодействии друг с другом малорастворимое в воде соединение комплексной соли.

Предпочтительно, например, в качестве катионного комплекса может быть использован [Au(dien)Cl]²⁺, а в качестве анионного комплекса может быть использован [PdCl₄]^2-, при взаимодействии друг с другом образующие [Au(dien)Cl][PdCl₄]. При дальнейшей термообработке происходит образование биметаллических частиц.

В качестве носителя для катализатора могут быть использованы, например, оксиды переходных металлов, пористый кремний или углерод, предпочтительно пористый кремний или углерод. Обработку носителя растворами солей золота и меди можно проводить в любой последовательности, например, вначале на носитель наносят катионную часть, а затем анионную, или вначале на носитель наносят анионную часть, а затем катионную. Или же путем нанесения сформированной комплексной соли в виде раствора, например, в полярном органическом растворителе.

Задача решается также способом синтеза пероксида водорода путем окисления водорода молекулярным кислородом в присутствии жидкости и катализатора при температурах выше - 20°C, на катализаторе, описанном выше. В качестве жидкости при проведении синтеза могут быть использованы, например, метанол и/или вода.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами и таблицами.

Примеры 1-6 иллюстрируют приготовление катализаторов.

Пример 1

Приготовление золотопалладиевого катализатора, нанесенного на пористый углерод, содержащего 2,0 мас.% Pd и 3,7 мас.% Au.

К 10,0 г носителя (C) при комнатной температуре приливают при тщательном перемешивании 15,0 мл 0,125 M водного раствора K₂[PdCl₄]. Далее пропитанный носитель сушат при температуре 80-90°C в течение 12-16 ч. После сушки образец охлаждают до комнатной температуры и пропитывают (при перемешивании) 15,0 мл 0,125 M водного раствора [Au(dien)Cl]Cl₂. Молярное соотношение Pd:Au на поверхности носителя составляет 1:1. Затем пропитанный носитель подвергают сушке при температуре 80-90°C в течение 12-16 ч.

После чего проводят обработку раствором гидразина или формальдегида или термообработку в токе смеси 5 об.% H₂ в Ar при скорости нагрева 2 град/мин до температуры 400°C, после чего катализатор выдерживают при 400°C в течение 2 ч. Затем катализатор промывают водой и этанолом, сушат при температуре 80-90°C в течение 12-16 ч.

Пример 2

Приготовление золотопалладиевого катализатора, нанесенного на пористый оксид алюминия, содержащего 2,0 мас.% Pd и 2,5 мас.% Au.

К 10,0 г носителя (γ-Al₂O₃) при комнатной температуре приливают, при тщательном перемешивании, 12,0 мл 0,104 M водного раствора [Au(en)₂]Cl₃. Далее пропитанный носитель сушат при температуре 50-60°C в течение 12-16 ч. После сушки образец охлаждают до комнатной температуры и пропитывают (при перемешивании) 12,0 мл 0,156 М водного раствора K₂[Pd(C₂O₄)₂]. Молярное соотношение Pd:Au на поверхности носителя составляет 3:2. Затем пропитанный носитель подвергают сушке при температуре 80-90°C в течение 12-16 ч.

После чего проводят обработку раствором гидразина или формальдегида или термообработку в токе смеси 5 об.% H₂ в Ar при скорости нагрева 2 град/мин до температуры 400°C, после чего катализатор выдерживают при 400°C в течение 2 ч. Затем катализатор промывают водой и этанолом, сушат при температуре 80-90°C в течение 12-16 ч.

Пример 3

Приготовление золотопалладиевого катализатора, нанесенного на пористый кремний, содержащего 2,0 мас.% Pd и 7,4 мас.% Au.

1,7 г соли [Pd(en)₂][AuCl₄]₂ растворяют в 100 мл ацетона. Далее к этому раствору при -15°C добавляют 10 г пористого кремния. Полученную суспензию выдерживают 1 ч при -15°C при интенсивном перемешивании. После чего температуру суспензии медленно (0,25°C/мин) поднимают до комнатной. Полученный осадок фильтруют, промывают водой, этанолом и ацетоном, сушат на воздухе.

После чего проводят термообработку в токе смеси 5 об.% H₂ в Ar при скорости нагрева 2 град/мин до температуры 400°C, после чего катализатор выдерживают при 400°C в течение 2 ч.

Пример 4

Приготовление золотопалладиевого катализатора, нанесенного на пористый углерод, содержащего 2,0 мас.% Pd и 7,4 мас.% Au.

К 10,0 г носителя (C) при комнатной температуре приливают, при тщательном перемешивании, 15,0 мл 0,125 М водного раствора K₂[Pd(CN)₄]. Далее пропитанный носитель сушат при температуре 80-90°C в течение 12-16 ч. После сушки образец охлаждают до комнатной температуры и пропитывают (при перемешивании) 15,0 мл 0,250 М водного раствора [Au(pap)₂]Cl. Молярное соотношение Pd:Au на поверхности носителя составляет 1:2. Затем пропитанный носитель подвергают сушке при температуре 80-90°C в течение 12-16 ч.

После чего проводят обработку раствором гидразина или формальдегида или термообработку в токе смеси 5 об.% H₂ в Ar при скорости нагрева 2 град/мин до температуры 400°C, после чего катализатор выдерживают при 400°C в течение 2 ч. Затем катализатор промывают водой и этанолом, сушат при температуре 80-90°C в течение 12-16 ч.

Пример 5

Приготовление золотопалладиевого катализатора, нанесенного на пористый углерод, содержащего 2,0 мас.% Pd и 7,4 мас.% Au.

К 10,0 г носителя (C) при комнатной температуре приливают, при тщательном перемешивании, 15,0 мл 0,125 M водного раствора [Pd(dien)H₂O](NO₃)₂. Далее пропитанный носитель сушат при температуре 80-90°C в течение 12-16 ч. После сушки образец охлаждают до комнатной температуры и пропитывают (при перемешивании) 15,0 мл 0,250 M водного раствора H[AuBr₄]. Молярное соотношение Pd:Au на поверхности носителя составляет 1:2. Затем пропитанный носитель подвергают сушке при температуре 80-90°C в течение 12-16 ч.

После чего проводят обработку раствором гидразина или формальдегида или термообработку в токе смеси 5 об.% H₂ в Ar при скорости нагрева 2 град/мин до температуры 400°C, после чего катализатор выдерживают при 400°C в течение 2 ч. Затем катализатор промывают водой и этанолом, сушат при температуре 80-90°C в течение 12-16 ч.

Пример 6

Приготовление золотопалладиевого катализатора, нанесенного на пористый оксид алюминия, содержащего 2,0 мас.% Pd и 7,4 мас.% Au.

К 10,0 г носителя (γ-Al₂O₃) при комнатной температуре приливают, при тщательном перемешивании, 12,0 мл 0,156 M водного раствора K₂[Pd(C₂O₄)₂]. Далее пропитанный носитель сушат при температуре 50-60°C в течение 12-16 ч. После сушки образец охлаждают до комнатной температуры и пропитывают (при перемешивании) 12,0 мл 0,312 M водного раствора [Au(HDMG)₂]Cl. Молярное соотношение Pd:Au на поверхности носителя составляет 1:2. Затем пропитанный носитель подвергают сушке при температуре 80-90°C в течение 12-16 ч.

После чего проводят обработку раствором гидразина или формальдегида или термообработку в токе смеси 5 об.% H₂ в Ar при скорости нагрева 2 град/мин до температуры 400°C, после чего катализатор выдерживают при 400°C в течение 2 ч. Затем катализатор промывают водой и этанолом, сушат при температуре 80-90°C в течение 12-16 ч.

Примеры 7-8 иллюстрируют испытание катализаторов.

Пример 7

Процесс синтеза пероксида водорода путем окисления водорода молекулярным кислородом осуществляют на золотопалладиевом катализаторе, нанесенном на пористый углерод.

Реакцию проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем гранулированного Pd-Au/C катализатора (180 мг), приготовленного по примеру 1, через который пропускают двухфазный газожидкостный поток 1 мл/мин смеси метанола с водой и 10,4 мл/мин газовой смеси (4% H₂, 96% O₂). Реактор термостатируют при различных температурах. Полученные результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1
Температура, °C	Концентрация H2O2, моль/л	Выход H2O2, %
2	4,3	26,3
-5	5,5	33,8
-10	6,3	38,3
-14	6,3	38,3

Таким образом, как видно из примеров и таблиц, предлагаемое изобретение позволяет эффективно осуществлять процесс синтеза пероксида водорода путем окисления водорода молекулярным кислородом, при этом предлагаемый способ приготовления золотопалладиевых катализаторов максимально упрощается, достигается высокодисперсное состояние катализатора и его высокая активность. Так как в отличие от большинства других органических растворителей метанол или вода не образуют взрывоопасных пероксидов, то достигаются еще и условия безопасного проведения процесса.

Пример 8

Процесс синтеза пероксида водорода путем окисления водорода молекулярным кислородом осуществляют на золотопалладиевом катализаторе, нанесенном на пористый кремний.

Реакцию проводят в проточном реакторе, в котором находится 100 мл метанола, взвесь катализатора, приготовленного по примеру 3, (50-200 мг), через который с помощью дисперсера пропускают газовую смесь (4 об.% H₂, 96 об.% O₂) со скоростью 50 мл/мин. Реактор термостатируют при -10°C с одним слоем катализатора. Полученные результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2
Время реакции, ч	Концентрация H2O2, моль/л	Конверсия H2, %	Селективность, %
1	4,6	21,5	43,4
2	11,0	22,8	57,0
3	15,3	20,9	41,8
4	20,5	21,5	50,0

Пористый кремний или углерод обладают необходимыми текстурными характеристиками, позволяющими использовать их в проточных реакторах, хорошо смачиваются метанолом и/или водой, обладают механической стойкостью по сравнению с многими другими оксидными носителями. Оба этих носителя не содержат примесей переходных металлов, которые катализируют разложение пероксида водорода. Химическая стойкость позволяет обрабатывать носители кислотами и окислителями и тем самым добиваться необходимой чистоты и кислотности поверхности. Термообработка двойной комплексной соли-предшественника, содержащей оба металла в одной молекуле, позволяет получать биметаллические частицы, минимизируя образование монометаллических частиц палладия, активно разлагающих перекись водорода.

1. Способ приготовления катализатора окисления водорода молекулярным кислородом до пероксида водорода, включающий стадии нанесения предшественников металлов, а именно золота и палладия, на носитель и термообработки, отличающийся тем, что в качестве предшественников золота и палладия используют анионные комплексы [Pd(C₂O₄)₂]^2-, [Pd(CN)₄]^2-, [PdCl₄]^2-, [AuCl₄]^-, [AuBr₄]^- в сочетании с катионными комплексами [Pd(dien)H₂O]²⁺, [Pd(en)₂]²⁺, [Au(pap)₂]⁺, [Au(en)₂]³⁺, [Au(dien)Cl]²⁺, [Au(HDMG)₂]⁺ (где: pap = 2-фенилазофенил, en = этилендиамин, dien = диэтилентриамин, HDMG = однозарядный анион диметилглиоксима НОН=С(-CH₃)-C(-CH₃)=NO^-), которые образуют при взаимодействии друг с другом малорастворимое в воде соединение комплексной соли.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве носителя используют, например, пористый кремний или углерод или оксиды переходных металлов, предпочтительно пористый кремний или углерод.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вначале на носитель наносят анионную часть, а затем катионную.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что вначале на носитель наносят катионную часть, а затем анионную.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на носитель наносят одновременно катионную и анионную часть комплексной соли в виде раствора преимущественно в полярном органическом растворителе.

6. Способ получения пероксида водорода путем окисления водорода молекулярным кислородом в присутствии жидкости и катализатора при температурах выше - 20°C, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют катализатор по любому из пп.1-5.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что получение проводят, используя в качестве жидкости метанол и/или воду.