One-step Synthesis of Amorphous Silica Aluminum Support Materials with Controllable Acidity and Porosity and Catalytic Performance of Their Pd-based Catalysts

doi:10.7503/cjcu20200888

Abstract

Abstract:

The catalytic performance of porous material-supported catalysts depends significantly on the acidity and porosity of support materials. One of the most critical challenges in the field of support-based catalysts is to effectively control the acidity and porosity of support materials simultaneously. Herein， we synthesized a series of porous amorphous silica aluminum（ASA） support materials by a spontaneous self-assembly process in different solvents. Further， porous ASA supported Pd catalysts were prepared by an impregnation method. Particularly， the effects of the polarity of solvent and the initial Si/Al ratio of ASA on the support materials as well as the obtained catalyst were investigated thoroughly. Results show that synthesis in a solvent with lower polarity produces ASA materials possessing abundant mesopores. And by means of tuning initial Si/Al ratio， the acidity， BET surface area， and pore size of ASA materials can be controlled readily. The optimal synthesis condition achieves a BET surface area and total acid amount up to 349.6 m²/g and 1.389 mmol/g， respectively. Due to the high BET surface area and abundant mesopores， the as-prepared ASA-supported Pd catalyst exhibits high dispersion of Pd metal particles， the dispersion of Pd is up to 63.17%. As a result， the obtained catalyst outperforms excessively its counterpart supported on commercial Al₂O₃， achieving a conversion of 99.75% and a selectivity to phenylamine of 94.62% for the hydrogenation of nitrobenzene and a conversion of 40.61% and a selectivity to benzaldehyde of 38.09% for the oxidation of benzyl alcohol. This facile and effective synthesis method makes it possible to synthesize efficient catalysts according to desired catalytic reactions.

Key words: Amorphous silica aluminum, Mesoporous structure, Noble metal Pd, Catalysis

CLC Number:

O643

TrendMD:

WANG Yuxiang, YU Shen, LIU Zhan, LYU Jiamin, LI Xiaoyun, CHEN Lihua, SU Baolian. One-step Synthesis of Amorphous Silica Aluminum Support Materials with Controllable Acidity and Porosity and Catalytic Performance of Their Pd-based Catalysts[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1826.

Figures/Tables 14

References 39

1	Ma Q. H.， Cui F.， Liu M. F.， Xu L. X.， Zhang J. J.， Cui T. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（10）， 2041―2045（马清海，崔放，刘沐斐，徐林煦，张佳佳，崔铁钰. 高等学校化学学报， 2019， 40（10）， 2041―2045）
2	Zhang Q.， Ding M. Y.， Zhang Y. L.， Li Y. P.， Wang C. G.， Wang T. J.， Ma L. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2016， 37（11）， 2060―2067（张浅，定明月，张玉兰，李宇萍，王晨光，王铁军，马隆龙. 高等学校化学学报， 2016， 37（11）， 2060―2067）
3	Lee C. R.， Yoon J. S.， Suh Y. W.， Choi J. W.， Ha J. M.， Suh D. J.， Park Y. K.， Catal. Commun.， 2012， 17， 54―58
4	Roldugina E. A.， Naranov E. R.， Maximov A. L.， Karakhanov E. A.， Appl. Catal. A Gen.， 2018， 553， 24―35
5	Musselwhite N.， Na K.， Sabyrov K.， Alayoglu S.， Somorjai G. A.， J. Am. Chem. Soc.， 2015， 137， 10231―10237
6	Xiao S. S.， Ouyang Y. T.， Li X. Y.， Wang Z.， Wu P.， Deng Z.， Chen L. H.， Su B. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（6）， 1235―1241（肖珊珊，欧阳逸挺，李小云，王朝，吴攀，邓兆，陈丽华，苏宝连. 高等学校化学学报， 2018， 39（6）， 1235―1241）
7	Niu P.， Liu P.， Xi H.， Ren J.， Lin M.， Wang Q.， Chen X.， Jia L.， Hou B.， Li D.， Appl. Catal. A Gen.， 2018， 562， 310―320
8	Karakhanov E. A.， Kardashev S. V.， Maksimov A. L.， Baranova S. V.， Kulikov A. B.， Ostroumova V. A.， Shirokopoyas S. I.， Lysenko S. V.， Pet. Chem.， 2012， 52， 228―232
9	Kulikov A. B.， Onishchenko M. I.， Sizova I. A.， Maksimov A. L.， Lysenko S. V.， Karakhanov E. A.， Pet. Chem.， 2016， 56， 836―840
10	Zhang C. L.， Huang D. Y.， Sun M. H.， Ouyang Y. T.， Wang C.， Li X. Y.， Chen L. H.， Su B. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2017， 38（3）， 471―478（张春磊，黄丹娅，孙明慧，欧阳逸挺，王超，李小云，陈丽华，苏宝连. 高等学校化学学报， 2017， 38（3）， 471―478）
11	Stanley J. N. G.， Heinroth F.， Weber C. C.， Masters A. F.， Maschmeyer T.， Appl. Catal. A Gen.， 2013， 454， 46―52
12	Xu D.， Xiao S. S.， Wu P.， Pan Y.， Chen L. H.， Su B. L.， Xue M.， Qiu S. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（1）， 19―24 （徐丹，肖珊珊，吴攀，潘莹，陈丽华，苏宝连，薛铭，裘式纶. 高等学校化学学报， 2018， 39（1）， 19―24）
13	He X. K.， Li X. Y.， Wang Z.， Hu N.， Deng Z.， Chen L. H.， Su B. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（4）， 639―645（何小可，李小云，王朝，胡念，邓兆，陈丽华，苏宝连. 高等学校化学学报， 2020， 41（4）， 639―645）
14	Lysenko S. V.， Baranova S. V.， Maksimov A. L.， Kardashev S. V.， Kulikov A. B.， Shirokopoyas S. I.， Ostroumova V. A.， Petrov N. Y.， Karakhanov E. A.， Pet. Chem.， 2013， 53， 97―101
15	Venezia A. M.， Raimondi F.， La Parola V.， Deganello G.， J. Catal.， 2000， 194， 393―400
16	Leliveld R. G.， Ros T. G.， Dillen A. J. V.， Geus J. W.， Koningsberger D. C.， J. Catal.， 1999， 185， 513―523
17	Zhang G. S.， Xin X. F.， Guan Y.， Zhou A. Q.， Zhang X. M.， Xu X. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2013， 34（4）， 900―905（张功尚，邢新峰，管瑜，周爱秋，张晓梅，许效红. 高等学校化学学报， 2013， 34（4）， 900―905）
18	La Parola V.， Deganello G.， Scirè S.， Venezia A. M.， J. Solid State Chem.， 2003， 174， 482―488
19	Xu D. O.， Wang R. W.， Fu W. W.， Wang Y.， Zhang Z. T.， Qiu S. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2011， 32（8）， 1684―1687（许迪欧，王润伟，付伟伟，王影，张宗弢，裘式纶. 高等学校化学学报， 2011， 32（8）， 1684―1687）
20	Taillades⁃Jacquin M.， Jones D. J.， Rozière J.， Rodríguez⁃Castellón E.， Appl. Catal. A Gen.， 2008， 340， 250―256
21	Na K.， Musselwhite N.， Cai X.， Alayoglu S.， Somorjai G. A.， J. Phys. Chem. A， 2014， 118， 8446―8452
22	Samad J. E.， Blanchard J.， Sayag C.， Louis C.， Regalbuto J. R.， J. Catal.， 2016， 342， 203―212
23	Zecevic J.， Vanbutsele G.， De Jong K. P.， Martens J. A.， Nature， 2015， 528， 245―248
24	Daniell W.， Schubert U.， Glöckler R.， Meyer A.， Noweck K.， Knözinger H.， Appl. Catal. A Gen.， 2000， 196， 247―260
25	Liu S. M.， Wang J. N.， Yu S.， Liu Z.， Wang Z.， Li X. Y.， Chen L. H.， Su B. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（6）， 1208―1217（刘思明，汪建南，余申，刘湛，王朝，李小云，陈丽华，苏宝连. 高等学校化学学报， 2020， 41（6）， 1208―1217）
26	Li S. G.， Li X. K.， Xu R. R.， Chem. J. Chinese Universities， 1989， 10（10）， 977―980（李守贵，李锡凯，徐如人. 高等学校化学学报， 1989， 10（10）， 977―980）
27	Li Y.， Peng C.， Li L.， Rao P.， J. Am. Ceram. Soc.， 2014， 97， 35―39
28	Léonard A.， Su B. L.， Chem. Commun.， 2004， 1674―1675
29	Dapsens P. Y.， Hakim S. H.， Su B. L.， Shanks B. H.， Chem. Commun.， 2010， 46， 8980―8982
30	Liu M.， Yang H.， Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp.， 2010， 371， 126―130
31	Flego C.， Carati A.， Perego C.， Microporous Mesoporous Mater.， 2001， 44/45， 733―744
32	Miller J. B.， Ko E. I.， Catal. Today， 1997， 35， 269―292
33	Venezia A. M.， La Parola V.， Deganello G.， Cauzzi D.， Leonardi G.， Predieri G.， Appl. Catal. A Gen.， 2002， 229， 261―271
34	Kang E.， Jung H.， Park J. G.， Kwon S.， Shim J.， Sai H.， Wiesner U.， Kim J. K.， Lee J.， ACS Nano， 2011， 5， 1018―1025
35	Kockrick E.， Krawiec P.， Schnelle W.， Geiger D.， Schappacher F. M.， Pöttgen R.， Kaskel S.， Adv. Mater.， 2007， 19， 3021―3026
36	Williams M. F.， Fonfé B.， Woltz C.， Jentys A.， Van Veen J. A. R.， Lercher J. A.， J. Catal.， 2007， 251， 497―506
37	Li S. G.， Xu R. R.， Chem. J. Chinese Universities， 1989， 10（7）， 763―765（李守贵，徐如人. 高等学校化学学报， 1989， 10（7）， 763―765）
38	Keresszegi C.， Grunwaldt J.， Mallat T.， Baiker A.， J. Catal.， 2004， 222， 268―280
39	Grunwaldt J.， Caravati M.， Baiker A.， J. Phys. Chem. B， 2006， 110， 25586―25589

Initial Si/Al ratio	S_BET^a/(m²·g^-1)	Total pore volume^b/(cm³·g^-1)	Mesopore size^c/nm
Pure Al₂O₃	234.0	0.56	6.81, 10.61
0.05	349.6	0.52	4.91
0.1	313.7	0.46	5.89
0.15	257.6	0.32	5.31
0.25	241.3	0.39	2.66, 7.05
0.5	292.4	0.18	2.62
Pure SiO₂	206.8	0.32	—

Initial Si/Al ratio	S_BET^a/(m²·g^-1)	Total pore volume^b/(cm³·g^-1)	Mesopore size^c/nm
Pure Al₂O₃	234.0	0.56	6.81, 10.61
0.05	349.6	0.52	4.91
0.1	313.7	0.46	5.89
0.15	257.6	0.32	5.31
0.25	241.3	0.39	2.66, 7.05
0.5	292.4	0.18	2.62
Pure SiO₂	206.8	0.32	—

Initial Si/Al ratio	Weak acid quantity/ (mmol·g^-1)	Medium acid quantity/(mmol·g^-1)	Strong acid quantity/(mmol·g^-1)	Total acid quantity/ (mmol·g^-1)
Pure Al₂O₃	0.097	0.043	0.685	0.825
0.05	0.464	0.007	0.918	1.389
0.1	0.334	0.007	1.035	1.376
0.15	0.693	0.011	1.158	1.862
0.25	0.781	0.007	1.448	2.236
0.5	0.608	0.010	1.341	1.959
Pure SiO₂	0.608	—	0.314	0.922

Initial Si/Al ratio	Weak acid quantity/ (mmol·g^-1)	Medium acid quantity/(mmol·g^-1)	Strong acid quantity/(mmol·g^-1)	Total acid quantity/ (mmol·g^-1)
Pure Al₂O₃	0.097	0.043	0.685	0.825
0.05	0.464	0.007	0.918	1.389
0.1	0.334	0.007	1.035	1.376
0.15	0.693	0.011	1.158	1.862
0.25	0.781	0.007	1.448	2.236
0.5	0.608	0.010	1.341	1.959
Pure SiO₂	0.608	—	0.314	0.922

Catalyst	Active particle diameter/nm	Active metal surface area/(m²·g^-1)	Metal dispersion(%)
Pd/0.05?ASA	1.77	2.81	63.17
Pd/0.15?ASA	6.00	0.83	18.69
Pd/0.25?ASA	18.10	0.28	6.19