СИНТЕЗ NI ИМПРЕГИРОВАННОГО В СВЕРХСШИТЫЙ ПОЛИСТИРОЛ ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ГИДРОГЕНАЦИИ D-ГЛЮКОЗЫ
Аннотация
Разработка эффективных катализаторов находится в центре внимания современной химической технологии для производства тонких химических веществ. D-сорбит, широко использующийся в качестве подсластителя, пищевой добавки и топливного соединения, обычно получают гидрированием D-глюкозы на Ni-катализаторе Ренея. Однако данный катализатор характеризуется недостаточной стабильностью и селективностью к образованию D-сорбита. Описанное исследование посвящено синтезу никельсодержащего сверхсшитого полистирола для процесса гидрирования D-глюкозы. Сверхсшитый полистирол является одним из представителей сшитых полимеров с жесткой матрицей, применимых для синтеза наночастиц металлов. Однако сверхсшитый полистирол характеризуется высокой гидрофобностью поверхности, что препятствует пропитке большим количеством активного металла по его поверхности. Для преодоления этого недостатка гиперсшитый полистирол был модифицирован перекисью водорода, хлором и аммиаком. Был синтезирован ряд никелевых катализаторов, теоретически содержащих 25 мас.% никеля. Модификация сверхсшитого полистирола приводит к соответствующему увеличению поверхностной концентрации активного металла. Синтезированные катализаторы на основе Ni характеризовались сопоставимой загрузкой Ni, варьирующейся от 20,1 до 23,2 мас.%. Некоторое увеличение загрузки Ni может быть связано с наличием поверхностно-активных групп, в случае применения модифицированного гиперсшитого полистирола. Площадь поверхности мезопор в катализаторах на модифицированных носителях уменьшается от 126 до 69 м2/г. Каталитическое гидрирование D-глюкозы на синтезированных
Ni-содержащих катализаторах показало значительное увеличение частоты оборота (TOF) для всех образцов по сравнению с обычно используемым никелем типа Ренея. Увеличение TOF может быть связано с соответствующим увеличением поверхностной концентрации активного металла. Кроме того, наблюдалось некоторое увеличение селективности катализатора по отношению к сорбитолу. Значительное улучшение селективности по отношению к сорбитолу может быть объяснено увеличением скорости реакции гидрирования D-глюкозы, в то время как скорость реакции процесса изомеризации D-глюкозы в
D-фруктозу остается неизменной. Было установлено, что достигнутый TOF для наиболее активного катализатора составляет 0,27 с-1, а селективность катализаторов к
D-сорбитолу составляет 98%.
Литература
Cerino P.J., Fleche G., Gallezot P., Salome J.P. Activity and Stability of Promoted Raney-Nickel Catalysts in Glucosen Hydrogenation. Stud. Surf. Sci. Catal. 1991. V. 59. P. 231-236. DOI: 10.1016/S0167-2991(08)61126-X.
Court J., Damon J.P., Masson J., Wierzchowski P. Hydrogenation of Glucose with Bimetallic Catalysts (NiM) of Raney Type. Stud. Surf. Sci. Catal. 1988. V. 41. P. 189-196. DOI: 10.1016/S0167-2991(09)60814-4.
Doluda V.Yu, Warna J., Aho A., Bykov A.V., Sidorov A.I., Sulman E.M., Bronstein L.M., Salmi T., Murzin D.Yu. Kinetics of Lactose Hydrogenation over Ruthenium Nanoparticles in Hypercrosslinked Polystyrene. Indust. Eng. Chem. Res. 2013. V. 52. N 39. P. 14066-14080. DOI: 10.1021/ie401778y.
Gallezot P., Nicolaus N., Fleche G., Fuertes P., Perrard A. Glucose Hydrogenation on ruthenium catalysts in a tricklebed reactor. J. Catalysis. 1998. V. 180. N 1. P. 51-55. DOI: 10.1006/jcat.1998.2261.
Makkee M., Kieboom A.P.G., van Bekkum H. Hydrogenation of d-fructose and d-fructose/d-glucose mixtures. Carbohyd. Res. 1985. V. 138. N 2. P. 225-236. DOI: 10.1016/0008-6215(85)85106-5.
Silvester L., Ramos F., Thuriot-Roukos J., Heyte S., Araque M., Paul S., Wojcieszak R. Fully integrated highthroughput methodology for the study of Ni- and Cu-supported catalysts for glucose hydrogenation. Catal. Today. 2019. V. 338. P. 72-80. DOI: 10.1016/j.cattod.2019.05.041.
Singh H., Rai A., Yadav R., Sinha A.K. Glucose hydrogenation to sorbitol over unsupported mesoporous Ni/NiO catalyst. Molec. Catal. V. 451. P. 186-191. DOI: 10.1016/j.mcat.2018.01.010.
Dechamp N., Gamez A., Perrard A., Gallezot P. Kinetics of glu-cose hydrogenation in a tricklebed reactor. Catal. Today. 1995. V. 24. N 1. P. 29-34. DOI: 10.1016/0920-5861(95)00019-C.
Hoffer B.W., Crezee E., Devred F., Mooijman P.R.M., Sloof W.G., Kooyman P.J., van Langeveld A.D., Kapteijn F., Moulijn J.A. The role of the active phase of Raney-type Ni catalysts in the selective hydrogenation of d-glucose to d-sorbitol. Appl. Catal. A: Gen. 2003. V. 253. N 2. P. 437-452. DOI: 10.1016/S0926-860X(03)00553-2.
Hoffer B.W., Crezee E., Mooijman P.R.M., van Langeveld A.D., Kapteijn F., Moulijn J.A. Carbon supported Ru catalysts as promising alternative for Raney-type Ni in the selective hydrogenation of d-glucose. Catal. Today. 2003. V. 79-80. P. 35-41. DOI: 10.1016/S0920-5861(03)00040-3.
Li H., Li H., Wang M. Glucose hydrogenation over promoted Co-B amorphous alloy catalysts. Appl. Catal. A: Gen. 2001. V. 207. N 1. P. 129-137. DOI: 10.1016/S0926-860X(00)00662-1.
Aho A., Roggan S., Simakova O.A., Salmi T., Murzin D.Yu. Structure sensitivity in catalytic hydrogenation of glucose over ruthenium. Catal. Today. 2015. V. 241. P. 195-199. DOI: 10.1016/j.cattod.2013.12.031.
Perrard A., Gallezot P., Joly J.P., Durand R., Baljou C., Coq B., Trens P. Highly efficient metal catalysts supported on activated carbon cloths: A catalytic application for the hydrogenation of d-glucose to d-sorbitol. Appl. Catal. A: Gen. 2007. V. 331. P. 100-104. DOI. 10.1016/j.apcata.2007.07.033.
Schimpf S., Louis C., Claus P. Ni/SiO2 catalysts prepared with ethylenediamine nickel precursors: Influence of the pretreatment on the catalytic properties in glucose hydro-genation. Appl. Catal. A: Gen. 2007. V. 318. P. 45-53. DOI: 10.1016/j.apcata.2006.10.034.
Grigoriev M.E., Sulman E.M., Matveeva V.G. Ru nanoparticles impregnated in a matrix of hypercrosslinked polystyrene in the catalytic synthesis of D-sorbitol. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2010. V. 53. N 1.
P. 54-57 (in Russian).
Koklin A.E., Klimenko T.A., Kondratyuk A.V., Lunin V.V., Bogdan V.I. The conversion of aqueous glucose solutions on a Pt/C catalyst. Kinetik. Kataliz. 2015. V. 56. N 1. P. 84-88 (in Russian). DOI: 10.7868 / S0453881115010074.
Guo X., Wang X., Guan J., Chen X., Qin Z, Mu X., Xian M. Selective hydrogenation of D-glucose to D-sorbitol over Ru/ZSM-5 catalysts. Chin. J. Catal. 2014. V. 35. N 5. P. 733-740. DOI: 10.1016/S1872-2067(14)60077-2.
Grigoriev M.E., Matveeva V.G., Nikoshvili L.Zh., Sidorov A.I., Doluda V.Yu., Bykov A.V., Konyaeva M.B., Sulman E.M., Zaporozhets M.A., Avilov A.S. Catalytic technologies in the production of D-sorbitol. Khim. Prom-st' Segodnya. 2013. N 5. P. 18-28 (in Russian).
Li H., Li H., Deng J.F. Glucose hydrogenation over Ni-B/SiO2 amorphous alloy catalyst and the promoting effect of metal dopants. Catal. Today. 2002. V. 74. N 1. P. 53-63. DOI: 10.1016/S0920-5861(01)00530-2.
Gallezot P., Nicolaus N., Fleche G., Fuertes P., Perrard A. Glucose hydrogenation on ruthenium catalysts in a trickle-bed reactor. J. Catalysis. 1998. V. 180. N 1. P. 51-55. DOI: 10.1006/jcat.1998.2261.
Liu J., Zhao X.S. Glucose hydrogenation over Ru nanoparticles embedded in templated porous carbon. Stud. Surf. Sci. Catal. 2008. V. 174. P. 1315-1318. DOI: 10.1016/S0167-2991(08)80131-0.
Mishra D.K., Lee J.M., Chang J.S., Hwang J.S. Liquid phase hydrogenation of d-glucose to d-sorbitol over the catalyst (Ru/NiO-TiO2) of ruthenium on a NiO-modified TiO2 support. Catal. Today. 2012. V. 185. N 1. P. 104-108. DOI: 10.1016/j.cattod.2011.11.020.
Romero A., Nieto-Maquez A., Alonso E. Bimetallic Ru:Ni/MCM-48 catalysts for the effective hydrogenation of d-glucose into sorbitol. Appl. Catal. A: Gen. 2017. V. 529. P. 49-59. DOI: 10.1016/j.apcata.2016.10.018.
Wang S., Wei W., Zhao Y., Li H., Li H. Ru-B amorphous alloy deposited on mesoporous silica nanospheres: An efficient catalyst for d-glucose hydrogenation to d-sorbitol. Catal. Today. 2015. V. 258. P. 327-336. DOI: 10.1016/j.cattod.2014.07.039.
Mishra D.K., Dabbawala A.A., Park J.J., Jhung S.H., Hwang J.S. Selective hydrogenation of d-glucose to d-sorbitol over HY zeolite supported ruthenium nanoparticles catalysts. Catal. Today. 2014. V. 232. P. 99-107. DOI: 10.1016/j.cattod.2013.10.018.
Matveeva V.G., Sapunov V.N., Grigoriev M.E., Lebedeva M.B., Sulman E.M. Kinetics of hydrogenation of d-glucose on a Ru-containing heterogeneous catalyst. Kinetik. Kataliz. 2014. V. 55. N 6. P. 7-12 (in Russian). DOI: 10.7868/S0453881114060100.
Ratkevich E.A., Manaenkov O.V., Matveeva V.G., Kislitsa O.V., Sulman E.M. Hydrolytic hydrogenation of inulin using a magnetically separated Ru-containing catalyst. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2018. V. 61. N 7. P. 77-82 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20186107.5679.
