close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Механизм низкотемпературных реакций с участием α-кислорода на поверхности FeZSM-5: изотопный обмен O2 и окисление метана

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Парфенов Михаил Владимирович Шифр научной специальности: 02.00.15 - кинетика и катализ Шифр диссертационного совета: Д 003.012.01 Название организации: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К.
На правах рукописи
ПАРФЕНОВ Михаил Владимирович
Механизм низкотемпературных реакций с участием
α-кислорода на поверхности FeZSM-5:
изотопный обмен O2 и окисление метана
02.00.15 – Кинетика и катализ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Новосибирск – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки
Институте катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии
наук.
Научные руководители:
доктор химических наук, профессор,
Панов Геннадий Иванович
кандидат химических наук
Староконь Евгений Владимирович
Официальные оппоненты:
доктор химических наук, профессор,
заведующий лабораторией
Корчак Владимир Николаевич,
Институт химической физики
им. Н.Н. Семенова РАН
кандидат химических наук,
старший научный сотрудник
Пинаева Лариса Геннадьевна,
Институт Катализа
им. Г.К. Борескова СО РАН
Ведущая организация:
Химический факультет Московского
государственного университета им. М.В.
Ломоносова
Защита состоится "30" мая 2012 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета
Д 003.012.01, в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки
Институте катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии
наук по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института катализа СО РАН.
Автореферат разослан
"27" апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
д.х.н.
О.Н. Мартьянов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Молекулярный кислород является идеальным
реагентом для проведения окислительных реакций. Это экологически чистый
окислитель, который в неограниченном количестве присутствует в
окружающей нас атмосфере. Однако О2 является двухатомной молекулой,
тогда как для селективного окисления многих органических соединений
требуется лишь один атом кислорода. Это нередко создает серьезные
трудности при подборе соответствующих катализаторов.
В связи с этим значительный интерес вызывает подход, основанный на
применении альтернативных окислителей в виде моноатомных доноров
кислорода. В гетерогенном катализе этот подход оказался особенно
успешным в случае закиси азота, N2O, эффективные свойства которой ярко
проявляются при использовании цеолитных катализаторов FeZSM-5. В
микропористом пространстве этих цеолитов могут создаваться так
называемые -центры, представляющие собой особые комплексы
двухвалентного железа (Fe2+). Будучи инертными в отношении О2, эти
комплексы
легко окисляются закисью азота с образованием анионрадикальной формы кислорода (-кислород, (O•–)α): (Fe2+) (Fe3+–O•–). С
участием (O•–)α протекает реакция каталитического окисления бензола в
фенол, а также ряд других реакций селективного окисления, которые не
удается осуществить с помощью О2.
Очень высокая реакционная способность (O•–)α резко отличает его от
остального кислорода на поверхности FeZSM-5. Это позволяет исследовать
α-кислород «в чистом виде», особенно в области пониженных температур,
где другие формы кислорода полностью инертны. Варьируя содержание
железа, концентрацию (O•–)α можно изменять в широких пределах, что дает
возможность для детального изучения свойств α-кислорода как модели
активного кислорода катализатора.
Исследованию α-кислорода посвящено большое число работ. Однако,
некоторые реакции с участием (O•–)α, представляющие значительный интерес
для окислительного катализа, изучены недостаточно. К их числу относятся
реакции изотопного обмена О2 и окисления метана в метанол. Целью данной
работы является исследование механизма этих двух реакций в области
низких температур.
1
Положения, выносимые на защиту: Наличие двух типов изотопного
обмена О2 (R0 и R1) на поверхности FeZSM-5 в присутствии α-кислорода.
Кинетические характеристики обмена, роль α-кислорода в механизме обмена
R0 и R1. Уточненная схема механизма реакции окисления метана αкислородом при комнатной температуре.
Научная новизна: Впервые в широкой области температур (-75÷175оС)
исследован изотопный обмен О2 в присутствии α-кислорода на поверхности
FeZSM-5. Показано наличие двух типов обмена. Обмен R0 (Е = 3.5 ккал/моль)
доминирует в области 100-175оС и протекает через трехатомный
промежуточный комплекс, включающий адсорбированную молекулу О2 и
атом α-кислорода. Обмен R0 (Е = 0.2 ккал/моль) доминирует в области
криогенных температур и приводит к перераспределению изотопов только
между молекулами О2 без изменения изотопного состава (O•–)α. Показана
каталитическая роль α-кислорода, который входит в состав активных центров
обмена R0.
С использованием усовершенствованных методик исследована
реакция окисления метана α-кислородом при 25°C. Впервые, помимо
метанола, в экстрагируемых продуктах обнаружен ДМЭ, а также измерено
количество неэкстрагируемых поверхностных продуктов. Это позволило
получить материальный баланс реакции, близкий к 100 %.
Практическая ценность: α-Кислород является удобной моделью активного
кислорода катализатора. Его участие в селективном окислении
экспериментально показано на примере реакции окисления бензола в фенол
закисью азота. Изучение окислительной химии (O•–)α может привести к
новым подходам в окислительном катализе не только с помощью N2O, но и с
помощью О2.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на
VIII Международной конференции «Механизмы каталитических реакций» (г.
Новосибирск, 2009); III Международной школе-конференции для молодых
ученых “Catalyst Design” (Свердловская область, 2009); Всероссийской
научной молодежной школе-конференции «Химия под знаком «Сигма»:
исследования, инновации, технологии» (г. Омск, 2010); Российском
конгрессе по катализу «РОСКАТАЛИЗ» (г. Москва, 2011).
Публикации. Результаты работы опубликованы в трех статьях и четырех
тезисах докладов российских и международных конференций.
2
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти
глав и списка цитируемой литературы, включающего 177 наименований.
Работа изложена на 113 страницах, содержит 7 таблиц и 26 рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность тематики работы и
сформулирована цель исследования.
В первой главе приведен обзор литературных данных о структуре
и свойствах цеолитов, а также их модифицировании путем введения
катионов
переходных
металлов.
Особое
внимание
уделено
железосодержащим цеолитам FeZSM-5, структуре и свойствам α-центров и αкислорода. Рассмотрена аналогия α-кислорода с активным кислородом
метан-монооксигеназ. Проанализированы работы по изотопному обмену О2 с
(O•–)α, а также по реакции окисления метана α-кислородом при комнатной
температуре. На основании литературного обзора сформулированы основные
задачи диссертационной работы.
Во второй главе дано описание вакуумной статической установки,
криостата1, реагентов и материалов, образцов катализаторов2. Описана
процедура образования (посадки) α-кислорода на поверхности FeZSM-5
путем разложения N2O при 230°C, которое протекает по ур. (1):
(Fe2+)α + N2O (Fe3+−О•−) + N2
A
(a)
(b)
0.8
0.6
N2
N2O
0.4
O
365 C
Выделение O2, у.е.
1.0
P, Торр
(1)
0.2
O2
0.0
0
5
10
15
20
25
30
35
100
200
300
400
500
600
O
Время, мин
Температура, C
Рис. 1. Посадка α-кислорода на FeZSM-5 путем разложения N2O при 230°C (а)
и его последующая ТП-десорбция (b). А – момент открывания микрореактора.
1
2
Автор благодарит К.С. Шубникова за изготовление криостата.
Автор благодарит к.х.н. Л.В. Пирютко за приготовление образцов.
3
Как видно из рис. 1а, разложение N2O при этой температуре приводит
к выделению в газовую фазу только азота, тогда как кислород полностью
остается связанным на -центрах FeZSM-5. Термодесорбция (O•–)α
происходит в виде одного пика O2 (рис. 1b).
В этой главе описаны также методические вопросы, связанные с
исследованием изотопного обмена O2 и окисления метана.
Третья глава посвящена исследованию изотопного обмена О2 на
цеолите FeZSM-5 с участием α-кислорода. Эта реакция широко применяется
как удобный метод для измерения концентрации (O•–)α, однако ее механизм
ранее не исследовался. В работе использовали образец FeZSM-5(0.56%) с
содержанием железа 0.56 масс. % и модулем Si/Al = 22. Концентрация αцентров равна 1.5∙1019 центров/г.
Согласно общим положениям теории изотопного обмена, в системе,
содержащей молекулярный кислород в газовой фазе и атомарный кислород
на поверхности катализатора, могут протекать две реакции изотопного
обмена:
1. Гетерообмен — перераспределение изотопов между газовой фазой
и поверхностью:
18
О2 +
16
Оs =
18
Оs +
16
О18О
(2)
18
За ходом этой реакции следят по изменению доли изотопа О в кислороде
газовой фазы.
2. Гомомолекулярный обмен (гомообмен) — перераспределение
изотопов между молекулами O2 газовой фазы:
18
О2 +
16
О2 = 2 16О18О
(3)
За протеканием этой реакции следят по отклонению текущей доли молекул
16 18
О О от ее равновесного значения.
Выделяют три типа обмена: R0, R1 и R2 в зависимости от того, сколько
атомов молекула О2 обменивает на атомы кислорода поверхности в акте
обмена, а именно, ноль, один или два. Этими же символами (R0, R1 и R2)
обычно обозначают и соответствующие скорости обмена. Определение типов
обмена проводят на основе анализа особенностей кинетики реакции [1, 2].
Температурная
зависимость
скорости
обмена
в
системе
O2 + (O•–)α/FeZSM-5 исследована нами в области температур -75÷175°C (рис.
2). Отметим, что без посадки α-кислорода исследуемый образец FeZSM4
5(0.56%) полностью инертен в этой области температур. Изотопный обмен
(как гомо-, так и гетерообмен) становится заметным лишь выше 300°C.
Как видно из рис. 2, скорость гетерообмена (W) во всем
температурном интервале удовлетворительно описывается Аррениусовской
зависимостью с энергией активации EW = 3.5 ккал/моль. Зависимость
скорости гомообмена (R) не подчиняется единому Аррениусовскому закону.
В области 100÷175°C эта зависимость, аналогично гетерообмену, также
характеризуется энергией активации ER = 3.5 ккал/моль. При понижении
температуры энергия активации гомообмена уменьшается, и ниже -25°C
становится равной 0.2 ккал/моль. Такое поведение указывает на сложный
характер гомообмена, связанный с изменением механизма реакции.
0
Температура ( C)
Скорость обмена (молек/г с)
175
10
18
10
17
10
16
100
50
0
-50
-75
3
2
1
2
3
4
5
1000/T (K)
Рис. 2. Температурная зависимость скорости изотопного обмена (0.1 Торр O2):
1) гетерообмен по типу R1 (EW = 3.5 ккал/моль)
2) гомообмен по типу R1 (ER = 3.5 ккал/моль)
3) гомообмен по типу R0 (ER = 0.2 ккал/моль)
Кратко
рассмотрим
экспериментальные
данные
в
высокотемпературной и низкотемпературной областях с точки зрения типов
обмена. Обмен в высокотемпературной области (100÷175°C) характеризуется
следующими особенностями: 1. Скорость гомообмена в два раза больше
скорости гетерообмена; 2. Гетерообмен и гомообмен имеют равную энергию
активации; 3. В ходе гетерообмена не наблюдается отклонения от
равновесного распределения изотопов между молекулами кислорода в
газовой фазе; 4. Гетерообмен и гомообмен имеют одинаковый порядок по О2
5
(см. далее). В соответствии с теорией изотопного обмена, такие результаты
возможны только в том случае, когда реакция протекает по типу R1.
При криогенных температурах скорость гомообмена многократно
превышает скорость гетерообмена. Следовательно, в этой области гомообмен
протекает в основном по типу R0, то есть без участия α-кислорода. Следует
отметить удивительный факт, который мы обсудим в следующей главе, а
именно, несмотря на то, что α-кислород не участвует в обмене, и его
изотопный состав остается неизменным, присутствие (O•–)α на поверхности
FeZSM-5 является необходимым. В отсутствие (O•–)α скорость гомообмена,
так же как и гетерообмена, равна нулю.
Полученные результаты показывают, что в системе O2 + (O•–)α/FeZSM5 гетерообмен во всем исследованном интервале температур протекает по
типу R1, тогда как гомообмен протекает по типам R1 и R0. Гомообмен по типу
R1 доминирует в высокотемпературной области, по типу R0 – в области
криогенных температур.
Кинетические зависимости обмена R1. Так как изотопный обмен протекает
только в присутствие α-кислорода, это дает возможность исследовать
зависимости скорости гомо- и гетерообмена от концентрации (O•–)α. В случае
обмена R1 такое исследование мы провели при 100°C и -40°C, изменяя
концентрацию (O•–)α в интервале (2.3÷12)∙1018 ат./г. Результаты при 100°C
приведены на рис. 3. Видно, что скорости как гетерообмена (1), так и
гомообмена (2) по типу R1 линейно возрастают с ростом концентрации αкислорода. Аналогичная линейная зависимость для гетерообмена получена
при -40°C.
17
Скорость обмена (10 молек/гс)
2
2.0
1.5
1
1.0
0.5
0.0
0
3
6
9
12
18
Концентрация -кислорода (10 ат./г)
Рис. 3. Зависимость скорости обмена R1 от концентрации α-кислорода при
100°C: 1 - гетерообмен 2 – гомообмен.
6
Зависимость скорости обмена R1 от давления O2 в газовой фазе была
исследована при тех же двух температурах опыта: 100°C и -40°C. Давление
кислорода варьировали от 0.01 до 0.1 торр. Гетерообмен и гомообмен R1 при
100°C, так же как и гетерообмен R1 при -40°C, имеют кинетический порядок
по O2, равный единице.
Механизм обмена R1. Полученные экспериментальные данные позволяют
сделать вывод относительно механизма обмена R1. Прямая зависимость
скорости обмена от концентрации α-кислорода и давления O2 является весьма
убедительным аргументом в пользу того, что обмен R1 осуществляется через
трехатомный
промежуточный
комплекс,
включающий
в
себя
адсорбированную молекулу О2 и анион-радикал α-кислорода:
18
О2 + (Fe3+−16О•−)α ↔ (Fe3+−16О18О18О•−)α ↔ (Fe3+−18О•−)α + 16О18О
(4)
Ранее аналогичный механизм обмена с участием анион-радикалов О•−
был предложен в работе Казанского и соавторов (1973 г.) для образца
V2O5/SiO2, предварительно восстановленного в водороде. Несмотря на
низкую концентрацию анион-радикалов (~3∙1016 ат./г) применение метода
ЭПР позволило авторам надежно показать участие этих частиц в изотопном
обмене.
Четвертая глава посвящена изучению механизма обмена R0.
Впервые этот тип обмена наблюдался в работах Винтера (1954 г.) и Стоуна
(1960 г.) при исследовании некоторых оксидов, прогретых в вакууме. Такие
оксиды приобретают способность вести гомообмен O2 при низкой
температуре, вплоть до температуры жидкого азота, без видимого участия
кислорода катализатора, т.е. в отсутствие гетерообмена. Особенно большое
внимание этому удивительному явлению было уделено в работах Борескова и
соавторов. Было показано, что обмен R0 протекает с энергией активации,
близкой к нулю, и характерен для большинства простых и сложных оксидов
после их высокотемпературной обработки в вакууме или восстановления в
водороде. Однако механизм этой реакции остается неясным. Более того,
неоднократно отмечалось, что обмен R0 вообще может представлять собой
лишь кажущееся явление. Действительно, можно предположить, что реакция
протекает с участием очень небольшого количества чрезвычайно активного
кислорода поверхности, гетерообмен O2 с которым невозможно заметить
7
экспериментально. В этом случае при любом механизме обмена он всегда
будет восприниматься как R0. Поэтому исследование обмена R0 на FeZSM-5 в
присутствии
большого
количества
высокоактивного
α-кислорода
приобретает особенно большой интерес.
Кинетические зависимости обмена R0.Приступая к исследованию обмена
R0, мы, прежде всего, попытались установить зависимость скорости R0 от
концентрации (O•–)α. Для опытов мы выбрали температуру -40°C, когда этот
обмен может быть исследован практически в «чистом» виде. Однако при
этом мы столкнулись с проблемой невоспроизводимости результатов. Если
опыты на одной и той же порции α-кислорода хорошо воспроизводились, то
при посадке новой идентичной порции (O•–)α скорость гомообмена могла
различаться более чем на порядок, хотя скорость гетерообмена во всех
случаях хорошо воспроизводилась. Вероятно, это вызвано какими-то
неконтролируемыми деталями эксперимента, которые не существенны для
обмена R1, но существенны для обмена R0.
Мы провели большую методическую работу, пытаясь выяснить
влияние различных факторов на получаемые результаты: условия посадки αкислорода (температура, время, давление N2O); длительность и температура
релаксации поверхности; скорость и атмосфера, в которых проводится
охлаждение образца до температуры опыта (О2, N2, Не) и т.д. Эта работа
позволила выбрать стандартную методику проведения опытов, которой мы
строго придерживались в дальнейшем. Это заметно улучшило
воспроизводимость результатов, хотя полностью решить эту проблему нам
не удалось.
Для изменения концентрации α-кислорода мы использовали два
метода, а именно:
1) путем изменения количества разлагаемого N2O по ур. (1);
2) путем дробного удаления (O•–)α за счет его реакции с СО.
Результаты опытов, проведенных в рамках первого метода,
представлены в таблице 1. При каждом начальном давлении N2O, которое
варьировалось от 0.12 до 0.02 Торр, проводилось по два опыта, которые
обозначены как а и b. Как видно из таблицы, несмотря на максимальную
тщательность наших измерений, скорости R0 при одинаковых концентрациях
α-кислорода значительно различаются. Тем не менее, значения средних
8
скоростей отчетливо показывают зависимость R0 от концентрации αкислорода, что хорошо видно на рис. 4 (круглые точки).
Таблица 1. Зависимость скорости гомообмена R0 (-40°C, 0.1 Торр O2) от
концентрации (O•–)α, которую варьировали разложением разного количества N2O
Опыт
№
Давление N2O
Торр
Концентрация (O•–)α
1018 ат./г
R0,
R0, средн.,
17
17
10 молек./гс
10 молек./гс
1
а)
b)
0.12
0.12
11
11
9.0
7.7
8.4
2
а)
0.095
8.7
6.0
6.0
3
а)
b)
0.090
0.090
8.3
8.3
6.3
3.0
4.7
4
а)
b)
0.055
0.055
5.1
5.1
7.0
3.0
5.0
5
а)
b)
0.040
0.040
3.7
3.7
5.0
4.0
4.5
6
а)
b)
0.030
0.030
2.7
2.7
3.0
2.0
2.5
7
а)
b)
0.020
0.020
1.8
1.8
0.4
1.9
1.2
8
а)
0.000
0.0
0.0
0.0
17
R0, 10 молек/(г·с)
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
18
Концентрация -кислорода, 10 ат./г
Рис. 4. Зависимость скорости R0 (-40°C, 0.1 Торр O2) от концентрации αкислорода, варьируемой различными методами: (○) - разложение разного количества
N2O, (□) - дробное удаление за счет реакции с СО.
9
Метод дробного удаления α-кислорода (табл. 2) основан на
использовании высокой реакционной способности (O•–)α, благодаря которой
его реакция с СО происходит очень быстро даже при низких температурах,
приводя к образованию СО2, адсорбированного на α-центрах. В первом
опыте мы провели посадку α-кислорода в количестве 11∙1018 ат./г, и, не
используя реакцию с СО, измерили скорость R0. Затем, непосредственно при
температуре опыта (-40°C), концентрацию (O•–)α уменьшили в два раза за
счет реакции с СО и снова измерили скорость R0 . В третьем опыте
концентрация (O•–)α была уменьшена еще в два раза, а в четвертом – весь αкислород был удален с поверхности катализатора, после чего реакция обмена
не протекала. Полученные результаты также нанесены на рис. 4. (квадратные
точки). Видно, что эти результаты удовлетворительно согласуются с
результатами предыдущей серии опытов и, несмотря на значительный
разброс, описываются общей линейной зависимостью, исходящей из начала
координат.
Таблица 2. Зависимость скорости R0 (-40°C, 0.1 Торр O2) от концентрации αкислорода, которую дробно уменьшали за счет реакции с СО.
Опыт №
1
2
3
4
Концентрация (O•–)α
18
PCO,
Концентрация (O•–)α
18
до опыта, 10 ат./г
Торр
в опыте, 10 ат./г
11
11
5.5
2.7
0.0
0.06
0.03
0.05
11
5.5
2.7
0.0
R0,
17
10 молек./гс
7.3
2.2
1.5
0.0
Мы измерили также зависимость скорости обмена R0 от давления
кислорода в газовой фазе (0.01 – 0.1 Торр O2) при -40°C . Так как все
эксперименты в этом случае проводились на одной и той же порции (O•–)α,
воспроизводимость результатов была хорошей. Полученная зависимость
показала, что обмен R0 имеет первый порядок по O2.
Механизм обмена R0. Несмотря на длительную историю исследования,
гомообмен R0, протекающий без участия кислорода катализатора, остается
одним из самых удивительных и труднообъяснимых явлений в гетерогенном
катализе. В литературе существует несколько гипотез относительно
механизма этого обмена. Наибольшее распространение получила идея о том,
что реакция протекает на кислородных вакансиях, возникающих при
10
частичном восстановлении оксидов. Такой механизм предполагает
перераспределение связей между двумя молекулами О2, адсорбированными
на одной вакансии:
16
О2 +
18
[16O2 □ 18O2]
О2 + □
2 16O18O + □
(5)
Так как концентрация вакансий обычно неизвестна, проверить эту
идею едва ли представляется возможным.
Полученные нами результаты убедительно показывают, что обмен R0
на поверхности FeZSM-5 связан с присутствием α-кислорода. В частности,
эти результаты позволяют, вероятно, впервые исключить гипотезу о
кажущемся характере R0. По крайней мере, в системе O2 + Oα/FeZSM-5 этот
обмен представляет собой реально существующее явление. Конечно,
теоретически можно предположить, что и в этом случае реакция идет по
механизму R1, т.е. с участием в обмене некоторой «сверхактивной» доли αкислорода, которая из-за малого количества не обнаруживается в
гетерообмене. Однако линейная зависимость R0 от общего количества αкислорода, а не от какой-то его доли, делает такое предположение слишком
маловероятным. Этот вывод усиливается тем обстоятельством, что
концентрация α-кислорода варьировалась разными методами.
Линейная зависимость скорости R0 от концентрации (O•–)α, (рис. 4), с
большой вероятностью указывает на совершенно особенную роль кислорода. А именно, на то, что α-кислород входит в состав активных
центров и, таким образом, играет каталитическую роль в обмене R0. Это
хорошо объясняет два первоначально, казалось бы, противоречивых факта:
неучастие -кислорода в обмене R0 и рост скорости R0 с ростом
концентрации (O•–)α на поверхности.
Структура активных центров обмена R0 не вполне ясна. Вероятную
схему механизма реакции можно представить в виде следующего уравнения:
18
18
O 2 + (16O - )+ Z 16O 2
16
O2
O -
16
O2
16
16 16 18
O 18O + ( O ) + Z O O
(6)
Этот механизм предполагает, что промежуточный комплекс реакции
включает две молекулы О2, одна из которых связана с -кислородом, а
вторая – с некоторым соседним центром Z. В качестве Z могут выступать,
например, льюисовские центры, представляющие собой координационноненасыщенные атомы Al. Согласно расчетам Жидомирова и соавторов (1992
Z
11
г.), теплота адсорбции O2 на таких центрах является весьма значительной (8.5
ккал/моль). В области криогенных температур это может обеспечивать
большие покрытия по О2, создавая, таким образом, благоприятную
возможность для образования соответствующих промежуточных структур.
Вероятно, могут быть предложены и другие варианты механизма R0.
Но в любом случае, согласно нашим экспериментальным данным, активные
центры этой реакции в качестве ключевого элемента должны включать в свой
состав анион-радикалы О•−. Можно полагать, что именно присутствие
радикальных частиц кислорода в активном центре приводит к
высокосогласованному механизму R0. Несмотря на очень прочные связи в
молекулах O2 (118 ккал/моль), этот механизм обеспечивает почти полную
компенсацию энергии, необходимую для разрыва старых связей, за счет
энергии, выделяющейся при образовании новых связей, приводя к обмену R0
с энергией активации, близкой к нулю. Согласно Борескову, в случае
оксидных катализаторов степень энергетической компенсации этого обмена
составляет более 98% [3].
Анализ литературных данных позволяет заключить, что механизм R0,
предполагающий наличие радикалов О•− в составе активных центров,
вероятно, имеет общее значение и может объяснить большой объем
экспериментальных результатов по обмену R0, полученных ранее на оксидах.
Пятая глава диссертации посвящена исследованию реакции метана
с α-кислородом при комнатной температуре с последующей экстракцией
поверхностных продуктов. Огромные природные
запасы метана и
способность ферментов метан-монооксигеназ (ММО) вести его селективное
окисление в метанол подталкивают химиков к новым и новым попыткам
осуществить эту реакцию каталитическим путем. Однако для этого
требуются более глубокие знания о механизме взаимодействия СН4 с
активным кислородом катализатора.
α-Кислород является удобной моделью активного кислорода
катализатора, в связи с чем, его реакция с метаном представляет
значительный интерес. Ранее эта реакция была исследована в ряде работ,
однако некоторые вопросы не получили ясного разрешения. Прежде всего,
это относится к стехиометрии реакции, а также к дисбалансу по углероду,
который наблюдается при экстракции продуктов.
12
Поводом для данной работы послужили наши недавние успехи
(совместно с к.х.н. Л.В. Пирютко) по приготовлению образцов FeZSM-5,
имеющих высокую концентрацию α-центров, которая в 3-8 раз выше, чем на
ранее исследованных образцах. Это дает возможность для создания более
надежных экспериментальных методик и проведения более точных
измерений, связанных с окислением метана.
Стехиометрия реакции CH4 + (O•–)α. Реакцию окисления метана αкислородом исследовали на образце цеолита FeZSM-5(2.0%) с концентрацией
α-центров 100 мкмоль/г (6∙1019 центр/г). Образец содержит 2.0 масс.% железа
и имеет модуль Si/Al = 11.5.
В отсутствие -кислорода образец инертен в отношении метана при
комнатной температуре. После посадки α-кислорода реакция метана с (O•–)α
при комнатной
температуре протекает практически мгновенно.
Многократные опыты по измерению числа молекул реагирующего метана и
числа атомов посаженного α-кислорода дали следующую стехиометрию
реакции:
СН4 : (O•–)α = 1:1.75±0.05. Эта величина имеет существенное
значение для выявления механизма реакции.
Идентификация поверхностных продуктов методом ИКС. На рис. 5.
представлены спектры FeZSM-5(2.0%) после реакции метана с разным
количеством -кислорода, предварительно посаженным на поверхность.
Видно, что на исходном образце (до посадки (O•–)α, спектр 1) полосы
поглощения (п.п.) в области СН колебаний отсутствуют. В области ОН
колебаний наблюдаются п.п., типичные для собственных гидроксильных
групп цеолита. Адсорбция метана на исследуемом образце при комнатной
температуре очень незначительна и не влияет на вид спектра 1. Спектр не
изменяется и после посадки -кислорода.
Реакция СН4 + (O•–)α приводит к появлению новых п.п. (спектры 2-4).
Интенсивность как в той, так и в другой областях спектра значительно
увеличивается с ростом количества -кислорода, достигая максимального
значения при полном заполнении им -центров (100 мкмоль/г). Полосы
поглощения в области СН колебаний (две интенсивные и две слабые)
обусловлены образованием метоксильных групп на α-центрах (Fe-OCH3)α.
Аналогично авторам [4], мы относим п.п. 2823 см-1 к симметричным
валентным колебаниям, п.п. 2920 см-1 и 2964 см-1 к асимметричным
13
2823
валентным колебаниям, п.п. 2945 см-1 к обертону деформационных
колебаний СН.
В области ОН-колебаний после реакции
метана наблюдается
-1
интенсивная полоса поглощения 3675 см с плечом при 3633 см-1. Появление
этих п.п. связано с образованием гидроксильных групп, связанных с αцентрами.
3675
4
3
2
1
2900
3000
3100
, см-1
3745
3610
3633
0.1
2800
2.0
1.0
4
3
2
1
3300
F (R)
2920
0.2
0.0
2700
(b)
1.5
2945
2964
F (R)
0.3
(a)
0.5
0.0
3600
,
3900
-1
см
Рис. 5. ИК-спектры цеолита FeZSM-5(2.0%) в области CH (a) и OH (b)
колебаний после реакции метана с различным количеством α-кислорода:
1) до посадки (O•–)α ; 2) 20 мкмоль (O•–)α /г; 3) 50 мкмоль (O•–)α /г; 4) 100
мкмоль (O•–)α /г.
Нами был проведен опыт по адсорбции метанола на исследуемом
образце FeZSM-5(2.0%). Полученный спектр показал, что для
адсорбированного метанола характерны две интенсивные п.п. 2844 и
2955 см-1. Отсутствие этих п.п. в спектрах после реакции метана с αкислородом говорит о том, что при комнатной температуре эта реакция не
приводит к образованию метанола.
Экстракция поверхностных продуктов. В предыдущих работах количество
метанола, извлекаемого с поверхности FeZSM-5 после реакции СН4 + (O•–)α,
составляло 60-80% от количества прореагировавшего метана. Этот дисбаланс
можно объяснить рядом причин, включая частичную потерю продуктов
реакции и недостаточную точность хроматографического анализа при
измерении малых концентраций метанола. Это может быть связано также с
тем, что часть продуктов остается на поверхности из-за неполноты
извлечения применяемым экстрагентом (смесь ацетонитрила и воды в
14
отношении 1:1). Наличие углеродсодержащих продуктов на поверхности
образца после экстракции не проверялось.
Приступая к этому исследованию, мы провели большую
методическую работу по усовершенствованию методики экстракции и
хроматографического анализа продуктов, подробное описание которой дано
в диссертации. Дополнительно мы провели исследование ряда растворителей
и их смесей с водой с точки зрения эффективности как экстрагентов. Для
опытов были выбраны вода и три органических растворителя чистотой
99.9+%: ацетонитрил, тетрагидрофуран (ТГФ) и этанол. Экстракцию
проводили в герметически закрывающихся виалах, при условиях,
обеспечивающих хорошее перемешивание цеолита и экстрагента.
Опыты с безводными растворителями показали, что они практически
не экстрагируют метанол, но экстрагируют диметиловый эфир, который
впервые наблюдался в данной работе. Количество ДМЭ не зависит от
природы растворителя, а также присутствия воды и во всех случаях
составляет 6% от количества прореагировавшего метана.
100
100
80
Общий выход, %
80
Выход метанола, %
2%
10%
50%
0%
0.2%
1%
60
40
60
40
CH3CN
EtOH
ТГФ
H2O
20
20
0
0
0
10
20
30
0
1
2
3
4
Цикл экстрации
Время экстракции, мин
Рис. 6. Влияние концентрации
воды в ацетонитриле (от нуля до 50
об. %) и времени экстракции на
выход метанола.
Рис. 7. Влияние числа циклов
экстракции на общий выход ДМЭ
и метанола при содержании воды
в растворителе 10 об. %
Для нахождения оптимальной концентрации воды были использованы
смеси ацетонитрила с различным количеством Н2О. В этих опытах,
результаты которых приведены на рис. 6, одновременно было исследовано и
влияние времени экстракции. Видно, что экстракция протекает быстро, и для
всех смесей практически заканчивается в течение 1-2 минут. Помимо
15
метанола и ДМЭ, другие продукты не обнаружены. В качестве оптимальной
была выбрана добавка воды в количестве 10 об. %. Дальнейшее добавление
воды не повышает эффективность экстракции, а ее большое количество
мешает точному анализу ДМЭ.
Далее мы исследовали, как влияет число циклов экстракции на
полноту извлечения продуктов с помощью выбранных растворителей
содержащих 10 об. % воды. Результаты для четырех циклов экстракции
представлены на рис. 7. Там же приведены данные для чистой воды. Видно,
что суммарный выход метанола и ДМЭ для органических растворителей
практически одинаков и составляет 75-76%. В случае воды выход заметно
меньше, 62%.
Материальный баланс реакции. Приведенные выше результаты
показывают, что наши попытки добиться полной экстракции продуктов
реакции СН4 + (O•–)α, не привели к успеху. Выход СН3ОН и ДМЭ составил
75% от количества прореагировавшего метана. Опыты по экстракции при
повышенной температуре, а также с добавлением муравьиной кислоты, как
катализатора для процесса гидролиза метоксильных групп, не дали
положительных результатов. Нами (совместно с к.т.н. С. И. Аборневым)
была предпринята также попытка провести экстракцию с помощью
сверхкритического СО2. Однако эта методика также не привела к полному
балансу по углероду. Экстракция сухим СО2 давала лишь небольшое
количество ДМЭ, а добавление воды приводило к образованию метанола,
примерно в том же количестве, что и в случае органических растворителей.
Учитывая тщательность наших опытов, можно предположить, что
недостающие продукты реакции остаются на поверхности. Для проверки
этого предположения мы провели следующий эксперимент. После
четырехкратной экстракции чистой водой (чтобы не «загрязнять»
поверхность углеродом растворителя), образец поместили в вакуумную
установку, где провели термопрограммированную десорбцию продуктов.
При этом в газовую фазу выделились CO и СО2, количество которых
составило 37% от количества прореагировавшего метана. Это дает сумму
всех полученных продуктов, близкую к 100%. То есть, в этом опыте нам
удалось впервые получить практически полный материальный баланс
реакции по углероду.
16
Что касается диметилового эфира, то специальные опыты показали,
что ДМЭ образуется именно в результате поверхностной реакции
CH4 + (O•–)α, а не является продуктом дегидратации метанола при экстракции.
Механизм реакции. На основании полученных результатов, а именно,
стехиометрии реакции, данных ИКС и состава экстрагируемых продуктов,
можно предложить следующую схему механизма окисления метана αкислородом:
1.
2.
3.
4.
СН4 + (FeO )α (Fe–OH) + [CH3 ]s
[CH3 ]s + (Fe– O )α (Fe–OCH3)
100
75
22
3
[CH3 ]s + Z Z–CH3
[CH3 ]s + (Fe–OCH3) (CH3OCH3 /Fe)
100СН4 + 175(Fe–O) + 22Z 100(Fe–OH) + 72(Fe–OCH3) + 22Z–CH3 + 3(CH3OCH3)
На первой стадии происходит отрыв атома Н от молекулы метана с
образованием гидроксильных групп на -центрах и поверхностных
метильных радикалов [CH3 ]s. Далее основная часть (75%) радикалов [CH3 ]s
связывается с α-кислородом, давая метоксильные группы (Fe–OCH3).
Меньшая часть радикалов (22%) связывается с некоторыми центрами Z
цеолитного катализатора, образуя группы Z–CH3, которые не регистрируются
в виде отдельных полос поглощения в ИК-спектрах. Это может быть
обусловлено тем, что группы Z–CH3 имеют малую полярность связей, либо
(если Z включает в себя атом кислорода) дают полосы поглощения,
неотличимые от полос поглощения (Fe–OCH3).
Если предположить, что группы Z–CH3 не гидролизуются и остаются
на поверхности после экстракции продуктов реакции, то предложенная схема
механизма может объяснить и отмеченный выше дефицит углеродного
баланса, который составляет около 25%.
17
Выводы
1. В широкой области температур (-75÷175°C) детально исследован
изотопный обмен О2 в присутствии α-кислорода, (O•–)α, на поверхности
цеолита FeZSM-5. Установлено два механизма обмена: R1 - с участием
(O•–)α, и R0 - без участия (O•–)α.
2. Обмен R1 протекает с энергией активации 3.5 ккал/моль и
доминирует в области температур выше 50°C. Линейные зависимости
скорости R1 от концентрации α-кислорода и давления О2, показывают, что
реакция протекает через перераспределение связей в промежуточном
комплексе (O3 ) α , состоящем из анион-радикала α-кислорода и
адсорбированной молекулы О2.
3. Обмен R0 доминирует в области криогенных температур. Реакция
протекает на активных центрах, включающих в свой состав α-кислород. Эти
центры обеспечивают почти идеально согласованный механизм
перераспределения связей в адсорбированных молекулах О2, приводя к
обмену R0 с энергией активации, близкой к нулю (0.2 ккал/моль). Анализ
литературных данных показывает, что обмен R0 на оксидах металлов,
вероятно, также протекает на активных центрах, включающих в свой состав
анион-радикалы O•–.
4. С использованием усовершенствованных экспериментальных
методик исследована поверхностная реакция окисления метана α-кислородом
при комнатной температуре. Подтвержден диссоциативный механизм
реакции, приводящий к образованию гидроксильных и метоксильных групп,
связанных с α-центрами, (Fe-OH) и (Fe-OСH3). Гидролиз метоксильных
групп приводит к получению метанола в качестве основного продукта,
экстрагируемого с поверхности.
5. Впервые в продуктах реакции обнаружен диметиловый эфир,
селективность образования которого составляет 6%. Предложена уточненная
схема механизма реакции, объясняющая образование метанола (при
экстракции), диметилового эфира и неэкстрагируемых продуктов реакции, с
учетом которых материальный баланс реакции по углероду близок к 100%.
18
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих
работах:
1. M.V. Parfenov, E.V. Starokon, S.V. Semikolenov and G.I. Panov “O2
Isotopic Exchange in the Presence of O Anion Radicals on the FeZSM-5 Surface”
J. Catal., 2009, Vol. 263, P. 173-180.
2. E.V. Starokon, M.V. Parfenov, L.V. Pirutko, S.I. Abornev, G.I. Panov,
«Room Temperature Oxidation of Methane by -Oxygen and Extraction of
Products from the FeZSM-5 Surface», J. Phys.Chem. C, 2011, Vol. 115, P. 2155–
2161.
3. E.V. Starokon, M.V. Parfenov, S.E. Malykhin, and G.I. Panov, “Catalytic
Role of O• Radicals in the Low-Temperature Isotopic Exchange in Dioxygen” J.
Phys.Chem. C, 2011, Vol. 115, P. 12554-12559.
4. M.V. Parfenov, E.V. Starokon, S.V. Semikolenov and G.I. Panov “O2
isotopic exchange in the presence of O species on the FeZSM-5” // VIII
International Conference “MECHANISMS OF CATALYTIC REACTIONS”, June
29-July 2, 2009, Novosibirsk Scientific Centre, Russia. Abstracts, Vol. 1, OP-1-12,
p. 73.
5. M.V. Parfenov, E.V. Starokon, S.V. Semikolenov, G.I. Panov, “Isotopic
exchange of O2 in the presence of O radicals on the Fe-containing ZSM-5
zeolites” // 3rd International School-Conference on Catalysis for Young Scientists
“CATALYST DESIGN”, July 13-18, 2009, The tourist center “Chusovaya”,
Ekaterinburg region, Russia. Abstracts, (CD version) PII-8, p. 132.
6. Парфенов М.В., Староконь Е.В., Пирютко Л.В., Аборнев С.И.,
Панов Г.И. «Разработка методики экстракции с цеолита FeZSM-5 продуктов
окисления CH4 α-кислородом при 25С» // Всероссийская научная
молодежная школа-конференция «Химия под знаком «Сигма» исследования,
инновации, технологии» 16 - 24 мая 2010, Омск, Материалы конференции,
УД-77, с. 145-147.
7. М.В. Парфенов, Е.В. Староконь, Г.И. Панов «Изотопный обмен О2 в
присутствии радикалов О• на поверхности FeZSM-5» // Российский конгресс
по катализу «РОСКАТАЛИЗ» 3 - 7 октября 2011 г., Москва, Сборник тезисов
(CD версия) СД-I-65, с. 73.
19
Список цитируемой литературы
1.
В.С. Музыкантов, В.В. Поповский, Г.К. Боресков. Кинетика
изотопного обмена в системе молекулярный кислород – твердый
окисел // Кинетика и катализ. 1964, Т. 4, С. 624–629.
2.
В.С. Музыкантов, Г.И. Панов, Г.К. Боресков. Определение типов
гомомолекулярного обмена кислорода на окислах // Кинетика и
катализ. 1973, Т. 14, С. 948–955.
3.
G.K. Boreskov. Catalytic activation of dioxygen // Catalysis: Science and
Technology / ed. J.R. Anderson, M. Boudart. Berlin, 1982, Vol. 3, P. 39–
137.
4.
G.I. Panov, K.A. Dubkov, E.A. Paukshtis. Identification of active oxygen
species over Fe complexes in zeolites // Catalysis by Unique Metal Ion
Structures in Solid Matrices / ed. G. Centi, B. Wichterlowa, A. Bell
Kluwer Academic Publishers, 2001, P. 149–163.
20
52
ПАРФЕНОВ Михаил Владимирович
Механизм низкотемпературных реакций с участием
α-кислорода на поверхности FeZSM-5:
изотопный обмен O2 и окисление метана
Автореф. дисс. На соискание ученой степени кандидата химических наук.
Подписано в печать 23.04.2012. Заказ № 52. Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 1.
Тираж 100 экз.
Отпечатано на полиграфическом участке Института катализа СО РАН
Документ
Категория
Химические науки
Просмотров
79
Размер файла
1 629 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа