高等学校化学学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (8): 1750.doi: 10.7503/cjcu20170844
收稿日期:
2017-12-25
出版日期:
2018-08-10
发布日期:
2018-06-25
作者简介:
联系人简介: 侯昭胤, 男, 博士, 教授, 主要从事多功能催化剂合成方法学方面的研究. E-mail: 基金资助:
WANG Yingyu, ZHAO Huaiyuan, HOU Zhaoyin*()
Received:
2017-12-25
Online:
2018-08-10
Published:
2018-06-25
Contact:
HOU Zhaoyin
E-mail:zyhou@zju.edu.cn
Supported by:
摘要:
以氧化石墨烯、 苯胺及醋酸亚铁为原料, 采用可控的聚合-热解工艺制备了一种复合铁基催化剂. 表征结果表明, 高分散的氧化铁纳米颗粒(Fe2O3 NPs)被固载于石墨烯/氮杂石墨烯复合膜上; 通过改变热解温度, 可以得到一系列结构和形貌各异的催化剂(Fe2O3/rGO/N-rGO). 经过700 ℃热解得到的催化剂(Fe2O3/rGO/N-rGO-700)具有较大的比表面积、 微孔-介孔复合孔道和高度分散的Fe2O3 NPs, 其在硝基苯选择性加氢反应中表现出优异的活性和稳定性.
中图分类号:
TrendMD:
王莹钰, 赵怀远, 侯昭胤. Fe2O3/rGO/N-rGO催化剂的制备及在硝基苯选择性加氢中的应用. 高等学校化学学报, 2018, 39(8): 1750.
WANG Yingyu, ZHAO Huaiyuan, HOU Zhaoyin. Synthesis of Fe2O3/rGO/N-rGO Catalyst and Its Application in Selective Hydrogenation of Nitrobenzene†. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(8): 1750.
Fig.1 N2 adsorption-desorption isotherms(A) and pores size distributions(B, C) of Fe2O3/rGO/N-rGO-500(a), Fe2O3/rGO/N-rGO-600(b), Fe2O3/rGO/N-rGO-700(c) and Fe2O3/rGO/N-rGO-900(d)Profile (C) is the enlarged part of profile (B).
Sample | Pore volume/(cm3·g-1) | Pore size/nm | SBET/(m2·g-1) | ||
---|---|---|---|---|---|
Micropore | Mesopore | Micropore | Mesopore | ||
Fe2O3/rGO/N-rGO-500 | — | 0.171 | — | 3.66 | 179.9 |
Fe2O3/rGO/N-rGO-600 | — | 0.171 | — | 3.93 | 199.1 |
Fe2O3/rGO/N-rGO-700 | 0.119 | 0.177 | 0.71 | 3.92 | 324.3 |
Fe2O3/rGO/N-rGO-900 | 0.089 | 0.081 | 0.80,1.74 | 3.93 | 174.4 |
Table 1 Structures of Fe2O3/rGO/N-rGO catalysts
Sample | Pore volume/(cm3·g-1) | Pore size/nm | SBET/(m2·g-1) | ||
---|---|---|---|---|---|
Micropore | Mesopore | Micropore | Mesopore | ||
Fe2O3/rGO/N-rGO-500 | — | 0.171 | — | 3.66 | 179.9 |
Fe2O3/rGO/N-rGO-600 | — | 0.171 | — | 3.93 | 199.1 |
Fe2O3/rGO/N-rGO-700 | 0.119 | 0.177 | 0.71 | 3.92 | 324.3 |
Fe2O3/rGO/N-rGO-900 | 0.089 | 0.081 | 0.80,1.74 | 3.93 | 174.4 |
No. | Sample | Raman analysis | |
---|---|---|---|
ID/IG | I2D/IG | ||
1 | GO | 0.92 | 0.26 |
2 | Fe2O3/rGO/N-rGO-500 | 1.02 | 0.13 |
3 | Fe2O3/rGO/N-rGO-600 | 0.95 | 0.19 |
4 | Fe2O3/rGO/N-rGO-700 | 0.95 | 0.21 |
5 | Fe2O3/rGO/N-rGO-900 | 0.94 | 0.16 |
Table 2 Raman analysis results of different catalysts
No. | Sample | Raman analysis | |
---|---|---|---|
ID/IG | I2D/IG | ||
1 | GO | 0.92 | 0.26 |
2 | Fe2O3/rGO/N-rGO-500 | 1.02 | 0.13 |
3 | Fe2O3/rGO/N-rGO-600 | 0.95 | 0.19 |
4 | Fe2O3/rGO/N-rGO-700 | 0.95 | 0.21 |
5 | Fe2O3/rGO/N-rGO-900 | 0.94 | 0.16 |
Fig.3 XRD patterns of N-free catalyst(a), Fe-free catalyst(b), Fe2O3/rGO/N-rGO-500(c), Fe2O3/ rGO/N-rGO-600(d), Fe2O3/rGO/N-rGO-700(e) and Fe2O3/rGO/N-rGO-900(f)
Fig.7 XPS spectra of elemental analysis in survey(A) and N1s(B) and percentage of nitrogen species(C) of Fe2O3/rGO/N-rGO-500(a), Fe2O3/rGO/N-rGO-600(b), Fe2O3/rGO/N-rGO-700(c) and Fe2O3/rGO/N-rGO-900(d)
Sample | Relative molar percentage(%) | Relative elemental percentage(%) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
C | O | N | Fe | Pyridinic N | Pyrrolic N | Graphitic N | |
Fe2O3/rGO/N-rGO-500 | 84.55 | 7.61 | 7.83 | 0.01 | 32.5 | 45.8 | 21.7 |
Fe2O3/rGO/N-rGO-600 | 84.75 | 7.34 | 7.81 | 0.10 | 31.1 | 45.0 | 23.9 |
Fe2O3/rGO/N-rGO-700 | 85.53 | 7.00 | 7.30 | 0.17 | 27.2 | 40.8 | 32.0 |
Fe2O3/rGO/N-rGO-900 | 90.18 | 6.18 | 3.52 | 0.12 | 23.5 | 29.4 | 47.1 |
Table 3 Surface composition of Fe2O3/rGO/N-rGO catalysts*
Sample | Relative molar percentage(%) | Relative elemental percentage(%) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
C | O | N | Fe | Pyridinic N | Pyrrolic N | Graphitic N | |
Fe2O3/rGO/N-rGO-500 | 84.55 | 7.61 | 7.83 | 0.01 | 32.5 | 45.8 | 21.7 |
Fe2O3/rGO/N-rGO-600 | 84.75 | 7.34 | 7.81 | 0.10 | 31.1 | 45.0 | 23.9 |
Fe2O3/rGO/N-rGO-700 | 85.53 | 7.00 | 7.30 | 0.17 | 27.2 | 40.8 | 32.0 |
Fe2O3/rGO/N-rGO-900 | 90.18 | 6.18 | 3.52 | 0.12 | 23.5 | 29.4 | 47.1 |
No. | Sample | Conversion(%) | Selectivity(%) | |
---|---|---|---|---|
AN | Othersb | |||
1 | Fe2O3/rGO/N-rGO-500 | 71.4 | 82.3 | 17.7 |
2 | Fe2O3/rGO/N-rGO-600 | 76.7 | 86.4 | 13.6 |
3 | Fe2O3/rGO/N-rGO-700 | 86.5 | 90.2 | 9.8 |
4 | Fe2O3/rGO/N-rGO-900 | 72.4 | 82.8 | 17.2 |
5 | Fe3O4@MgO | 29.8 | 75.7 | 24.3 |
6 | Fe3O4@SiO2 | 33.9 | 81.5 | 18.5 |
7 | Fe3O4@Al2O3 | 41.5 | 85.0 | 15.0 |
8 | Fe3O4@AC | 44.0 | 91.1 | 9.9 |
9 | N-free catalyst | 42.6 | 88.8 | 11.2 |
10 | Fe-free catalyst | 27.8 | 86.4 | 13.6 |
11 | GO | 16.4 | 76.8 | 23.2 |
Table 4 Hydrogenation of nitrobenzene over different catalystsa
No. | Sample | Conversion(%) | Selectivity(%) | |
---|---|---|---|---|
AN | Othersb | |||
1 | Fe2O3/rGO/N-rGO-500 | 71.4 | 82.3 | 17.7 |
2 | Fe2O3/rGO/N-rGO-600 | 76.7 | 86.4 | 13.6 |
3 | Fe2O3/rGO/N-rGO-700 | 86.5 | 90.2 | 9.8 |
4 | Fe2O3/rGO/N-rGO-900 | 72.4 | 82.8 | 17.2 |
5 | Fe3O4@MgO | 29.8 | 75.7 | 24.3 |
6 | Fe3O4@SiO2 | 33.9 | 81.5 | 18.5 |
7 | Fe3O4@Al2O3 | 41.5 | 85.0 | 15.0 |
8 | Fe3O4@AC | 44.0 | 91.1 | 9.9 |
9 | N-free catalyst | 42.6 | 88.8 | 11.2 |
10 | Fe-free catalyst | 27.8 | 86.4 | 13.6 |
11 | GO | 16.4 | 76.8 | 23.2 |
Fig.8 Recycle experiment over Fe2O3/rGO/N-rGO-700 catalystReaction conditions: 0.25 mmol nitrobenzene in 8.0 mL ethanol, initial n(Fe)=10 μmol, 120 ℃, p(H2)=2.0 MPa, 4.0 h.
Fig.9 Time-on-stream of NB hydrogenation over Fe2O3/rGO/N-rGO-700 catalysta. Conversion of NB; b. selectivity to AN; c. selectivity to NSB; d. selectivity to PHA. Reaction conditions: 0.25 mmol nitrobenzene in 8.0 mL ethanol, initial n(Fe)=10 μmol, 120 ℃, p(H2)=2.0 MPa.
[1] | Blaser H.U., Science, 2006, 313(5785), 312—313 |
[2] | Meng X.C., Cheng H. Y., Akiyama Y., Hao Y. F., Qiao W. B., Yu Y. C., Zhao F. Y., Fujita S. I., Arai M., J. Catal., 2009, 264(1), 1—10 |
[3] | Li C.H., Yu Z. X., Yao K. F., Ji S. F., Liang J., J. Mol. Catal. A, 2005, 226(1), 101—105 |
[4] | Nie R.F., Wang J. H., Wang L. N., Qin Y., Chen P., Hou Z. Y., Carbon, 2012, 50(2), 586—596 |
[5] | Gelder E.A., Jackson S. D., Lok C. M, Catal. Lett., 2002, 84(3/4), 205—208 |
[6] | Chary K.V. R., Srikanth C. S., Catal. Lett., 2008, 128(1/2), 164—170 |
[7] | Corma A., Concepcion P., Serna P., Angew. Chem. Int.Ed., 2007, 46(38), 7266—7269 |
[8] | Burge H.D., Collins D. J., Davis B. H, Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 1980, 19(3), 389—391 |
[9] | Li H.X., Zhao Q. F., Wan Y., Dai W. L., Qiao M. H., J. Catal., 2006, 244(2), 251—254 |
[10] | Wang J.H., Yuan Z. L., Nie R. F., Hou Z. Y., Zheng X. M, Ind. Eng. Chem. Res., 2010, 49(10), 4664—4669 |
[11] | Jagadeesh R.V., Wienhoefer G., Westerhaus F. A., Surkus A. E., Pohl M. M., Junge H., Junge K., Beller M, Chem. Commun., 2011, 47(39), 10972—10974 |
[12] | Schlogl R., Angew. Chem. Int.Ed., 2003, 42(18), 2004—2008 |
[13] | Kandemir T., Schuster M.E., Senyshyn A., Behrens M., Schloegl R, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52(48), 12723—12726 |
[14] | Vojvodic A., Medford A.J., Studt F., Abild-Pedersen F., Khan T. S., Bligaard T., Norskov J. K, Chem. Phys. Lett., 2014, 598, 108—112 |
[15] | Galvis H.M. T., Bitter J. H., Khare C. B., Ruitenbeek M., Dugulan A. I., de Jong K. P., Science, 2012, 335(6070), 835—838 |
[16] | Koeken A.C. J., Galvis H. M. T., Davidian T., Ruitenbeek M., de Jong K. P, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51(29), 7190—7193 |
[17] | Schulz H., Catal. Today, 2013, 214, 140—151 |
[18] | Jacobs G., Ma W.P., Gao P., Todic B., Bhatelia T., Bukur D. B., Davis B. H., Catal. Today, 2013, 214, 100—139 |
[19] | Qi G.S., Yang R. T., Appl. Catal. B, 2003, 44(3), 217—225 |
[20] | Guo X.G., Fang G. Z., Li G., Ma H., Fan H. J., Yu L., Ma C., Wu X., Deng D. H., Wei M. M., Tan D. L., Si R., Zhang S., Li J. Q., Sun L. T., Tang Z. C., Pan X. L., Bao X. H., Science, 2014, 344(6184), 616—619 |
[21] | Lefevre M., Proietti E., Jaouen F., Dodelet J.P., Science, 2009, 324(5923), 71—74 |
[22] | Jagadeesh R.V., Surkus A. E., Junge H., Pohl M. M., Radnik J., Rabeah J., Huan H., Schunemann V., Bruckner A., Beller M., Science, 2013, 342(6162), 1073—1076 |
[23] | Shi J.J., Wang Y. Y., Du W. C., Hou Z. Y., Carbon, 2016, 99, 330—337 |
[24] | Du W.C., Xia S. X., Nie R. F., Hou Z. Y, Ind. Eng. Chem. Res., 2014, 53(12), 4589—4594 |
[25] | Nie R.F., Shi J. J., Du W. C., Ning W. S., Hou Z. Y., Xiao F. S., J. Mater. Chem. A, 2013, 1(32), 9037—9045 |
[26] | Zeng X.Y., You C. H., Leng L. M., Dang D., Qiao X. C., Li X. H., Li Y. W., Liao S. J., Adzic R. R., J. Mater. Chem. A, 2015, 3(21), 11224—11231 |
[27] | Chen J.L., Yan X. P., J. Mater. Chem., 2010, 20(21), 4328—4332 |
[28] | Shi J.J., Zhao M. S., Wang Y. Y., Fu J., Lu X. Y., Hou Z. Y., J. Mater. Chem. A, 2016, 4(16), 5842—5848 |
[29] | Stankovich S., Dikin D.A., Piner R. D., Kohlhaas K. A., Kleinhammes A., Jia Y. Y., Wu Y., Nguyen S. T., Ruoff R. S., Carbon, 2007, 45(7), 1558—1565 |
[30] | Liu S., Wang J.Q., Zeng J., Ou J. F., Li Z. P., Liu X. H., Yang S. R., J. Power Sources, 2010, 195(15), 4628—4633 |
[31] | Liang Y.Y., Li Y. G., Wang H. L., Zhou J. G., Wang J., Regier T., Dai H. J., Nat. Mater., 2011, 10(10), 780—786 |
[32] | Gao Y.J., Hu G., Zhong J., Shi Z. J., Zhu Y. S., Su D. S., Wang J. G., Bao X. H., Ma D, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52(7), 2109—2113 |
[33] | Wu Z.S., Winter A., Chen L., Sun Y., Turchanin A., Feng X. L., Müllen K, Adv. Mater., 2012, 24(37), 5130—5135 |
[34] | Chen P., Xiao T.Y., Qian Y. H., Li S. S., Yu S. H, Adv. Mater., 2013, 25(23), 3192—3196 |
[35] | Xiao M.L., Zhu J. B., Feng L. G., Liu C. P., Xing W, Adv. Mater., 2015, 27(15), 2521—2527 |
[36] | Hu Y., Jensen J.O., Zhang W., Martin S., Chenitz R., Pan C., Xing W., Bjerrum N. J., Li Q. F., J. Mater. Chem. A, 2015, 3(4), 1752—1760 |
[37] | Guo D.H., Shibuya R., Akiba C., Saji S., Kondo T., Nakamura J., Science, 2016, 351(6271), 361—365 |
[38] | Zhao Y., Watanabe K., Hashimoto K., J. Mater. Chem. A, 2013, 1(4), 1450—1456 |
[39] | Nie R., Miao M., Du W.C., Shi J. J., Liu Y. C., Hou Z. Y., Appl. Catal. B, 2016, 180, 607—613 |
[40] | Groves M.N., Chan A. S. W., Malardier-Jugroot C., Jugroot M, Chem. Phys. Lett., 2009, 481(4—6), 214—219 |
[41] | Kim H., Robertson A.W., Kim S. O., Kim J. M., Warner J. H., ACS Nano, 2015, 9(6), 5947—5957 |
[1] | 王瑞娜, 孙瑞粉, 钟添华, 池毓务. 大尺寸石墨烯量子点组装体的制备及电化学发光性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220161. |
[2] | 张昕昕, 许狄, 王艳秋, 洪昕林, 刘国亮, 杨恒权. CO2加氢制低碳醇CuFe基催化剂中的Mn助剂效应[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220187. |
[3] | 周紫璇, 杨海艳, 孙予罕, 高鹏. 二氧化碳加氢制甲醇多相催化剂研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220235. |
[4] | 丁杨, 王万辉, 包明. 多孔骨架固定分子催化剂催化CO2加氢制备甲酸研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220309. |
[5] | 黄孝舜, 马海英, 柳淑娟, 王斌, 王红利, 钱波, 崔新江, 石峰. 二氧化碳间接转化制化学品的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220222. |
[6] | 周雷雷, 程海洋, 赵凤玉. Pd基多相催化剂上CO2加氢反应的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220279. |
[7] | 闫嘉森, 韩现英, 党兆涵, 李建刚, 何向明. 石蜡/膨胀石墨/石墨烯复合相变储热材料的制备及性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220054. |
[8] | 宋有为, 安江伟, 王征, 王旭慧, 权燕红, 任军, 赵金仙. Ag,Zn,Pd掺杂对铜基催化剂草酸二甲酯选择性加氢反应的影响[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20210842. |
[9] | 曹磊, 陈美君, 袁刚, 常钢, 张修华, 王升富, 何汉平. 冠醚功能化的栅控石墨烯场效应晶体管的制备及对汞离子的检测[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(4): 20210688. |
[10] | 郑雪莲, 杨翠翠, 田维全. 全椅式边含薁缺陷石墨烯纳米片的二阶非线性光学性质[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210806. |
[11] | 孟祥钰, 詹琦, 武亚南, 马晓双, 姜靖逸, 孙岳明, 代云茜. 光热效应增强的Au/RGO/Na2Ti3O7光催化加氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210655. |
[12] | 俞彬, 谌小燕, 赵越, 陈卫昌, 肖新颜, 刘海洋. 氧化石墨烯基钴卟啉复合材料的电催化析氢反应[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210549. |
[13] | 王雪丽, 宋相伟, 解颜宁, 杜妮阳, 王振新. 部分还原氧化石墨烯的制备、 表征及对人宫颈癌HeLa细胞的体外杀伤作用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210595. |
[14] | 胡波, 朱昊辰. 双层氧化石墨烯纳米体系中受限水的介电常数[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210614. |
[15] | 杨隽阁, 高成乾, 李博鑫, 尹德忠. 改性氧化石墨烯稳定Pickering乳液法制备高导热相变整体材料[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210593. |
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