Субстраты, опоры и лиганды в катализаторах на основе драгоценных металлов

Введение

Катализаторы на основедрагоценных металлов широко используются в различных областях промышленности благодаря своим исключительным каталитическим свойствам. Однако на их эффективность существенно влияют материалы, к которым они прикреплены - так называемые подложки, опоры или лиганды. Эти материалы играют решающую роль в определении активности, стабильности, селективности и способности катализатора к регенерации. Вот подробный обзор этих компонентов и их важности в каталитических реакциях.

1. Субстрат: Основа каталитических реакций

Подложка служит поверхностным материалом, на котором закрепляются или диспергируются драгоценные металлы в ходе каталитических реакций. Это особенно актуально для гетерогенных катализаторов. Выбор подложки очень важен, так как он влияет на дисперсию, площадь поверхности и каталитическую активность драгоценных металлов.

К распространенным материалам подложек относятся:

• Глинозем (Al₂O₃): Глинозем известен своей большой площадью поверхности и хорошей механической прочностью, что делает его популярным выбором для подложек в реакциях гидрирования, окисления и риформинга.
• Кремнезем (SiO₂): Подложки из кремнезема химически инертны и термически стабильны, что делает их пригодными для каталитических процессов, требующих высокой селективности.
• Углеродные материалы: Активированный углерод и углеродные нанотрубки обладают отличной электропроводностью и большой площадью поверхности, что делает их идеальными подложками для катализаторов топливных элементов и некоторых восстановительных реакций.

2. Поддержка: Повышение эффективности катализатора

[1]

Опоры - это материалы, используемые для диспергирования драгоценных металлов на поверхности катализатора, обычно применяемые в гетерогенных катализаторах. Основная функция опор заключается в обеспечении высокой площади поверхности для поддержки дисперсии драгоценных металлов при стабилизации активности катализатора.

--Пористые оксиды

Пористые оксиды, такие как глинозем, кремнезем и титания, ценятся за высокую площадь поверхности и стабильность, что делает их идеальными для диспергирования драгоценных металлов.

- Глинозем (Al₂O₃): Широко используется благодаря большой площади поверхности (100-300 м²/г) и стабильности в высокотемпературных процессах, таких как гидрогенизация и риформинг.

- Кремнезем (SiO₂): Выбран за его инертность и термическую стабильность (200-600 м²/г), подходит для реакций окисления и каталитического крекинга.

- Титания (TiO₂): Известен своими фотокаталитическими свойствами, используется в светоактивируемых процессах и для контроля выбросов в автомобильной промышленности.

--Углеродные опоры

Углеродные опоры, включая технический углерод и активированный уголь, необходимы в электрохимических процессах благодаря своей электропроводности и большой площади поверхности.

- Углеродная сажа: Обеспечивает превосходную проводимость, широко используется в топливных элементах, где платина на саже (Pt/C) играет ключевую роль в восстановлении кислорода.

- Активированный уголь: Обладая исключительно высокой площадью поверхности (500-1500 м²/г), он идеально подходит для процессов адсорбции и фильтрации, эффективно поддерживая такие реакции, как гидрогенизация.

-Оксиды металлов

Оксиды металлов, такие как церий и цирконий, обладают уникальными окислительно-восстановительными свойствами, улучшая взаимодействие с драгоценными металлами и повышая эффективность катализаторов.

- Церий (CeO₂): Эффективен в окислительно-восстановительных реакциях, особенно в автомобильных катализаторах, благодаря своей способности накапливать кислород.

- Цирконий (ZrO₂): Известен своей термической стабильностью и устойчивостью в суровых условиях, широко используется в высокотемпературных процессах изомеризации.

3. Лиганды: Настройка каталитических свойств

Лиганды - это молекулы или ионы, образующие координационные связи с центром драгоценного металла, преимущественно используемые в гомогенных катализаторах. Структура и свойства лигандов напрямую влияют на активность, селективность и стабильность катализатора.

Вот распространенные типы лигандов:

• Фосфиновые лиганды: Такие соединения, как трифенилфосфин (PPh₃), широко используются в реакциях кросс-сочетания, катализируемых палладием, где они регулируют селективность и скорость реакции.
• Лиганды на основе азота: Лиганды, такие как пиридин и бипиридин, могут регулировать электронную плотность драгоценных металлов, влияя на активность и селективность каталитической реакции.
• Хелатирующие лиганды: Такие лиганды, как ЭДТА, могут образовывать стабильные хелаты с драгоценными металлами, повышая стабильность катализатора, особенно в сложных органических реакциях.

Факторы, влияющие на эффективность катализаторов

Эффективность катализаторов на основе драгоценных металлов определяется несколькими факторами, связанными с субстратами, опорами и лигандами.

• Площадь поверхности и пористость: Площадь поверхности и пористость подложек и опор напрямую влияют на дисперсию драгоценных металлов и наличие активных участков.
• Химическая стабильность: Химическая стабильность опор и лигандов определяет долговечность катализатора в экстремальных условиях, таких как высокие температуры или сильные кислотные/щелочные среды.
• Электронные эффекты и координационная среда: Электронные свойства и координационная среда, обеспечиваемая лигандами, могут существенно влиять на пути реакции и селективность катализатора.

Подбор катализаторов для конкретных промышленных применений

Выбор комбинаций подложки, опоры и лигандов часто обусловлен специфическими требованиями различных промышленных применений. Эти материалы должны быть тщательно подобраны, чтобы соответствовать условиям реакции и желаемым результатам.

Например:

• Реакциигидрогенизации: Катализаторы на основе глинозема широко используются в гидрогенизации благодаря высокой площади поверхности и механической прочности.
• Топливные элементы: Катализаторы на основе благородных металлов, поддерживаемые углеродом, необходимы для топливных элементов, где требуется высокая проводимость и химическая стабильность.
• Фармацевтический синтез: Модифицированные лигандами катализаторы часто используются в фармацевтическом синтезе для достижения высокой селективности и эффективности в сложных органических реакциях.

Другие примеры можно найти в Stanford Advanced Materials (SAM).

Похожие статьи: Распространенные типы реакций с использованием гомогенных катализаторов из драгоценных металлов

Заключение:

Выбор подходящих субстратов, опор и лигандов имеет решающее значение для оптимизации работы катализаторов на основе драгоценных металлов. Тщательно подобрав эти материалы, можно настроить свойства катализатора в соответствии с конкретными требованиями различных промышленных применений, тем самым повысив эффективность и продлив срок службы катализатора.

Ссылки:

[1] Hossain, Shaikh. (2018). Синтез и кинетическое исследование катализаторов CeO2 и SiO2 с поддержкой CuO для окисления CO. 10.13140/RG.2.2.31499.80165.