何 杰 范以寧

(1安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,安徽淮南 232001;2南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,介觀化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210093)

Nb2O5/γ-Al2O3表面鈮氧物種的分散狀態(tài)與酸性特征

何 杰1,2,*范以寧2

(1安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,安徽淮南 232001;2南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,介觀化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210093)

負(fù)載型Nb2O5是多種催化反應(yīng)的有效催化劑.以草酸鈮為前驅(qū)物,γ-Al2O3為載體,通過浸漬法制備不同負(fù)載量的Nb2O5/γ-Al2O3催化劑.采用粉末X射線衍射(XRD)、激光拉曼光譜(LRS)和吡啶吸附傅立葉變換紅外(Py-IR)光譜方法對(duì)催化劑表面鈮氧(NbOx)物種的分散特征、酸性特征進(jìn)行表征,通過異丁烯(IB)與異丁醛(IBA)縮合生成2,5-二甲基-2,4-己二烯(DMHD)反應(yīng)評(píng)價(jià)催化劑表面酸催化活性.結(jié)果表明,Nb在γ-Al2O3表面的單層分散容量(ΓNb)為7.6 μmol·m-2,與“嵌入模型”理論分析Nb5+分散在γ-Al2O3優(yōu)先暴露晶面(110)上八面體空位中的單層分散容量值7.5 μmol·m-2接近,即分散的Nb5+離子鍵合在γ-Al2O3表面八面體空位中.在低負(fù)載量下,分散在γ-Al2O3表面的Nb2O5主要以孤立的NbOx物種形式通過Nb—O—Al鍵與載體表面鍵合,與LRS結(jié)果一致.處于孤立狀態(tài)下的NbOx物種使表面Lewis酸位量下降.隨負(fù)載量的增加,孤立的NbOx物種通過Nb—O—Nb鍵連接而聚集,并形成表面Br?nsted酸位,隨著NbOx聚集度增加,表面Br?nsted酸密度增加,酸性增強(qiáng),對(duì)IBA與IB縮合反應(yīng)催化活性增加.當(dāng)負(fù)載量超過單層分散容量時(shí),NbOx物種呈現(xiàn)三維聚集狀態(tài),DMHD的轉(zhuǎn)化頻率(TOF)降低,同時(shí)表面Br?nsted酸性增強(qiáng),導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物DMHD的選擇性降低.Nb2O5/γ-Al2O3催化劑表面Br?nsted酸特征與NbOx物種聚集狀態(tài)密切相關(guān).

表面酸性;Nb2O5/γ-Al2O3;表面NbOx物種;烯醛縮合反應(yīng)

鈮氧化物及其材料在許多催化應(yīng)用領(lǐng)域均是有效的催化劑[1-5],如酸催化、選擇性氧化、光催化等.除了直接用作催化劑外,鈮氧化物還用于二維氧化鈮覆蓋層[6-11]、氧化物載體[12]或混合氧化物[13-14]以及催化劑的促進(jìn)劑[15]等.在鈮氧化物眾多的催化反應(yīng)中,酸催化是其重要應(yīng)用之一.作為一種酸性氧化物,Nb2O5的酸性與大多數(shù)氧化物不同,晶相Nb2O5幾乎不呈現(xiàn)酸性,以無定型態(tài)存在的鈮酸(Nb2O5· nH2O)具有較強(qiáng)的酸性且對(duì)一些反應(yīng)具有較高的酸催化活性,同時(shí)它具有很好的耐水性[16-17],如作為烯烴水合、醇脫水、脂肪酸與醇酯化以及烯醛縮合等反應(yīng)的催化劑,因此,在有機(jī)合成及石油化工等領(lǐng)域鈮酸作為酸催化劑有非常良好的應(yīng)用前景.將Nb2O5負(fù)載于金屬氧化物載體上,因表面NbOx物種與載體之間的相互作用使得表面鈮氧化物的物理化學(xué)性質(zhì)與本體相明顯不同,并隨著載體性質(zhì)、負(fù)載量以及制備條件不同,表面鈮氧化物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及催化性質(zhì)發(fā)生變化[7,9-10,18-19].負(fù)載型Nb2O5主要起酸催化劑的作用,表面NbOx物種的狀態(tài)與酸特征之間存在著密切的關(guān)系[6,9-11],而酸性特征與催化性能密切聯(lián)系.本研究在運(yùn)用X射線衍射(XRD)相定量分析等方法討論NbOx物種在TiO2表面分散狀態(tài)的基礎(chǔ)上[9],進(jìn)一步采用該方法并結(jié)合激光拉曼光譜(LRS)技術(shù)以及“嵌入模型”研究Nb2O5/γ-Al2O3催化劑表面NbOx物種的分散狀態(tài)及其與載體/γ-Al2O3之間的相互作用;通過異丁烯(IB)與異丁醛(IBA)縮合生成2,5-二甲基-2,4-己二烯(DMHD)反應(yīng)的酸催化性能以及吡啶吸附紅外光譜表征催化劑表面酸性特征,探討γ-Al2O3表面NbOx物種的分散狀態(tài)、表面酸性特征以及酸催化活性之間的關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 負(fù)載型Nb2O5/γ-Al2O3催化劑制備

將一定量鈮酸(AR)溶于0.5 mol·L-1H2C2O4(AR)溶液制成草酸鈮溶液,將直徑約為2 mm的γ-Al2O3小球(天津化工研究院,SBET=232 m2·g-1)浸入計(jì)量的上述溶液中,于333-343 K旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去水分,再經(jīng)393 K干燥12 h,在設(shè)定溫度空氣氣氛中焙燒一定時(shí)間,得到負(fù)載型鈮氧化物催化劑.高負(fù)載量的催化劑由多次浸漬焙燒方法制備.

1.2 催化劑表征

X射線粉末衍射(XRD)測(cè)定在Shimadzu XD-3A型X射線衍射儀上進(jìn)行,Cu Kα,λ=0.15418 nm,Ni濾波,管電壓35 kV,管電流15 mA.以晶相V2O5為內(nèi)標(biāo)求得不同負(fù)載量樣品中Nb2O5(202)面與V2O5(001)面衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度INb2O5(202)/IV2O5(001),用外推法求得Nb2O5在γ-Al2O3載體表面的單層分散容量.紅外光譜測(cè)試在德國(guó)Bruker公司Vector 22型紅外光譜儀上進(jìn)行.催化劑樣品經(jīng)研磨后壓成自支撐片(約6 mg)于573 K、10-3Pa下抽空處理2 h,降至室溫后攝取本底紅外光譜.處理后的樣品室溫下吸附吡啶飽和蒸汽(蒸汽壓為612 Pa)30 min,然后分別于298、423和573 K下抽空1 h,冷卻至室溫?cái)z譜.減去樣品的本底譜即得樣品吸附吡啶的紅外光譜(Py-IR).分辨率4.0 cm-1,掃描次數(shù):120.激光拉曼光譜(LRS)測(cè)試在法國(guó)JY公司JY HR800型激光Raman光譜儀上進(jìn)行,激發(fā)光源波長(zhǎng)546 nm.

1.3 催化性能評(píng)價(jià)

IB/IBA縮合生成DMHD反應(yīng)在一臺(tái)直型不銹鋼反應(yīng)裝置上進(jìn)行,反應(yīng)條件見文獻(xiàn)[20].

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)考察Nb2O5在γ-Al2O3載體表面的分散狀態(tài)以及晶相形成條件,將Nb負(fù)載量ΓNb為19.5 μmol·m-2的樣品于不同溫度焙燒24 h后,用XRD方法檢測(cè)表面Nb2O5晶相形成溫度.結(jié)果表明,在 873 K及以下溫度未觀察到明顯的晶態(tài)Nb2O5形成,當(dāng)焙燒溫度達(dá)973 K時(shí),Nb2O5在載體γ-Al2O3表面形成γ-Nb2O5晶相.

不同負(fù)載量的Nb2O5/γ-Al2O3樣品經(jīng)973 K焙燒24 h后的XRD測(cè)定結(jié)果示于圖1.由圖1可見,當(dāng)Nb負(fù)載量在6.5 μmol·m-2以下時(shí),未見晶相Nb2O5衍射峰,當(dāng)Nb負(fù)載量達(dá)9.7 μmol·m-2時(shí), XRD譜中出現(xiàn)了Nb2O5衍射峰,且其強(qiáng)度隨著Nb2O5負(fù)載量增加而明顯增強(qiáng).以晶相V2O5為內(nèi)標(biāo)物測(cè)定Nb2O5/γ-Al2O3中Nb2O5(202)與V2O5(001)面衍射峰相對(duì)強(qiáng)度(INb2O5(202)/IV2O5(001))與Nb2O5負(fù)載量的關(guān)系,結(jié)果示于圖2.用外推求得Nb在γ-Al2O3表面的單層分散容量為7.6 μmol·m-2.

Nb2O5/γ-Al2O3催化劑LRS譜示于圖3.Nb負(fù)載量在分散容量7.6 μmol·m-2以下時(shí),Nb2O5/γ-Al2O3催化劑僅在906 cm-1處出現(xiàn)一拉曼峰,該峰歸屬于載體γ-Al2O3表面八面體NbO6物種[21].隨負(fù)載量增加,906 cm-1拉曼峰位置峰強(qiáng)度增加,這是由于載體表面NbO6物種濃度增加.當(dāng)負(fù)載量超過單層分散容量時(shí),Nb2O5/γ-Al2O3催化劑在600-700 cm-1范圍出現(xiàn)一個(gè)寬的拉曼峰(圖3d),該峰與無定形鈮酸和晶相Nb2O5中聚集的NbOx物種Nb—O—Nb拉曼位移相近,表明超出分散容量的這部分鈮氧物種以三維聚集體或晶相形式存在,結(jié)果與XRD結(jié)果一致.

圖1 不同負(fù)載量的Nb2O5/γ-Al2O3樣品XRD圖Fig.1 XRD patterns of Nb2O5/γ-Al2O3catalysts with different Nb2O5loadingΓNb/(μmol·m-2):(a)6.5,(b)9.7,(c)13.0,(d)16.2,(e)19.5

圖2 Nb2O5/γ-Al2O3催化劑XRD定量分析結(jié)果Fig.2 XRD quantitative phase analysis result for Nb2O5/γ-Al2O3catalysts

研究氧化物與載體之間的相互作用,載體表面結(jié)構(gòu)是一個(gè)不可或缺的重要因素,嵌入模型[22]從載體的優(yōu)先暴露晶面討論氧化物在載體上的分散.該模型認(rèn)為,負(fù)載型離子化合物在載體表面上分散過程是其陽(yáng)離子進(jìn)入載體表面空位,相伴的陰離子定位其上以保持電中性.據(jù)此,離子型化合物在氧化物載體表面的分散容量與載體表面空位密切相關(guān).

圖3 Nb2O5/γ-Al2O3催化劑的LRS譜Fig.3 LRS of Nb2O5/γ-Al2O3samples with different Nb2O5loadingΓNb/(μmol·m-2):(a)1.7,(b)3.6,(c)5.7,(d)8.1

γ-Al2O3具有缺陷尖晶石結(jié)構(gòu)[23],屬立方晶系.在每一個(gè)單胞中含有32個(gè)O原子和64/3個(gè)Al原子,其中Al原子占據(jù)著四面體和八面體位置. Jimenez-Conzalez等[24]的研究表明,γ-Al2O3表面主要(約90%)呈(110)面取向.該面有兩層結(jié)構(gòu):C層和D層,其離子排列方式示于圖4.Schuit等[25]認(rèn)為C層和D層所占比例相等.C層單位網(wǎng)格中有2個(gè)八面體(Oct.)空位和6個(gè)四面體(Tet.)空位,而D層單位網(wǎng)格中有2個(gè)八面體空位和8個(gè)四面體空位.按Al3+半徑0.055 nm和O2-半徑0.14 nm[26]可計(jì)算出γ-Al2O3的C層和D層結(jié)構(gòu)中空位密度分別為31.2和 34.2 μmol·m-2.其中,八面體空位密度均為7.5 μmol·m-2.由于該載體表面存在四面體與八面體兩種空位,半徑大小不同的陽(yáng)離子分散組分的嵌入存在著擇位問題.已經(jīng)發(fā)現(xiàn),分散的金屬陽(yáng)離子優(yōu)先占據(jù)γ-Al2O3表面的四面體空位還是八面體空位與被分散的金屬氧化物的性質(zhì)和負(fù)載量以及樣品的焙燒溫度有關(guān)[27].圖3結(jié)果表明,NbOx氧物種在γ-Al2O3表面呈六配位的八面體結(jié)構(gòu),可以認(rèn)為Nb5+進(jìn)入八面體空位而形成具有八面體結(jié)構(gòu)的NbOx物種.根據(jù)“嵌入模型”,在γ-Al2O3的C層與D層每嵌入1個(gè)Nb5+離子,將有2.5個(gè)O2-離子以保持電中性,當(dāng)所有可用的八面體空位都被Nb5+離子占據(jù)后,覆蓋O2-離子形成密置單層,如圖4所示.據(jù)此可以估算出Nb在γ-Al2O3表面的分散容量為7.5 μmol·m-2,與實(shí)測(cè)值甚為一致.

為探討Nb2O5/γ-Al2O3催化劑NbOx物種所處狀態(tài)與催化性能的關(guān)系,以 IB與IBA縮合生成DMHD反應(yīng)為探針,研究不同負(fù)載量的Nb2O5/γ-Al2O3催化劑對(duì)IB與IBA縮合反應(yīng)催化性能.由于晶相Nb2O5表面幾乎不具有酸性,在制備Nb2O5/γ-Al2O3系列催化劑,將焙燒溫度控制在773 K,焙燒時(shí)間控制在6 h,以保證負(fù)載量超過單層分散容量時(shí)的Nb2O5在γ-Al2O3載體表面處于無定型狀態(tài).

圖4 Nb2O5在γ-Al2O3的(110)面上分散的示意圖Fig.4 Schematic structure of the dispersed Nb2O5on γ-Al2O3(110)

圖5 Nb2O5/γ-Al2O3催化劑的IB與IBA縮合生成DMHD的催化性能Fig.5 Catalytic acitivity of Nb2O5/γ-Al2O3catalysts for condensation reaction of IB and IBA to DMHD

載體γ-Al2O3對(duì)IB與IBA縮合反應(yīng)幾乎不具有催化活性,而晶相Nb2O5雖有一定催化活性但反應(yīng)物IBA的轉(zhuǎn)化率(10.0%)和產(chǎn)物DMHD的選擇性(51.4%)均明顯偏低,而在無定型形態(tài)的鈮酸上,IBA的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物DMHD的選擇性分別為66.2%和86.8%,均比晶相Nb2O5的高得多.負(fù)載型Nb2O5/γ-Al2O3催化劑對(duì)IB與IBA縮合反應(yīng)的催化活性和產(chǎn)物DMHD的選擇性與Nb2O5負(fù)載量密切相關(guān),結(jié)果示于圖5.以催化劑單位時(shí)間每個(gè)Nb5+離子的DMHD產(chǎn)物收率估算催化活性(轉(zhuǎn)化頻率TOF),結(jié)果示于圖6.隨負(fù)載量的增加,TOF呈線性上升,當(dāng)負(fù)載量超過單層分散容量時(shí)TOF值下降,這是催化劑表面NbOx物種利用率降低的結(jié)果.圖中還顯示,隨樣品中Nb的負(fù)載量不同,這種變化表現(xiàn)為兩條斜率不同的直線線形變化,兩線相交于7.5 μmol· m-2附近,與XRD測(cè)定和按嵌入模型所預(yù)測(cè)的Nb2O5在γ-Al2O3上的分散容量相近.

圖6 Nb2O5/γ-Al2O3催化劑上IB與IBA縮合成DMHD的TOF隨Nb2O5負(fù)載量的變化Fig.6 Turnover frequency(TOF)of DMHD from IB and IBA condensation on Nb2O5/γ-Al2O3catalysts with Nb2O5loading

IB與IBA縮合形成DMHD反應(yīng)是一典型的酸催化反應(yīng)[9,20,28].為考查負(fù)載量不同的Nb2O5/γ-Al2O3催化劑中表面NbOx物種酸催化性能的差異,測(cè)定了一系列催化劑樣品吸附吡啶后的紅外光譜(Py-IR),分別以1440-1460和1535-1550 cm-1特征吸收峰面積與樣品表面積之比表示L酸位和B酸位相對(duì)酸量,并以不同溫度下的酸量變化反映酸強(qiáng)度變化[20,28],結(jié)果示于圖7.從圖7可見,載體γ-Al2O3表面未觀察到B酸位,但具有最大的L酸位量.將Nb2O5分散到γ-Al2O3表面后,導(dǎo)致Nb2O5/γ-Al2O3樣品表面可檢測(cè)到的L酸位量下降,這可能是Nb5+填充到γ-Al2O3表面八面體空位的結(jié)果.在單層分散之前,樣品表面L酸位量隨著Nb2O5負(fù)載量的增加先下降而后增加.在單層分散后,樣品的表面酸特征由NbOx物種控制.Nb2O5負(fù)載到γ-Al2O3表面后在改變催化劑表面L酸位量的同時(shí),在較高的負(fù)載量下形成了B酸位.Nb負(fù)載量為1.7 μmol·m-2的樣品未檢測(cè)到PyH+振動(dòng)吸收峰,可以認(rèn)為其表面B酸位量低于檢測(cè)范圍,負(fù)載量為3.6 μmol·m-2的樣品表面B酸位量很小,而負(fù)載量為5.7 μmol·m-2的樣品表面B酸位量明顯增加,此后,增加Nb2O5的負(fù)載量,表面B酸位量進(jìn)一步增加.

圖7 Nb2O5/γ-Al2O3催化劑表面酸特征與負(fù)載量的關(guān)系Fig.7 Acidity feature of the Nb2O5/γ-Al2O3catalyst with Nb2O5loading

從圖7還可見,Nb負(fù)載量為3.6 μmol·m-2的樣品表面只有強(qiáng)度較弱的B酸位.隨著負(fù)載量的增加,在B酸位濃度增加的同時(shí)強(qiáng)度增加,Nb負(fù)載量為13.9 μmol·m-2的樣品上出現(xiàn)了類似于鈮酸表面較強(qiáng)的B酸位.因此,Nb2O5/γ-Al2O3催化劑表面的B酸位量與Nb2O5在γ-Al2O3表面的分散狀態(tài)密切相關(guān).

負(fù)載型氧化物催化劑表面的B酸位來自于其表面的可質(zhì)子化羥基.Kataoka等[29]認(rèn)為,表面羥基是否具有B酸酸性可通過其鍵強(qiáng)度大小來判斷,只有鍵強(qiáng)度在0.1-0.4 v.u.(valence unit)之間的羥基才有可能產(chǎn)生B酸性,鍵強(qiáng)度越接近于0.1 v.u.,B酸酸性越強(qiáng).在負(fù)載型Nb2O5/γ-Al2O3催化劑表面存在著Al—OH、Nb—OH端羥基和Al—OH—Al、Nb—OH—Al、Nb—OH—Nb橋羥基[18,30-31].按Kataoka等方法計(jì)算,端羥基Al—OH和Nb—OH的鍵強(qiáng)度分別為1.50和1.17 v.u.,表明這些端羥基不具有B酸酸性.橋羥基Al—OH—Al、Nb—OH—Al和Nb—OH—Nb的鍵強(qiáng)度分別為1.0、0.67和0.33 v.u.,只有Nb—OH—Nb橋羥基的鍵強(qiáng)度在0.1-0.4 v.u.范圍,即在這些橋羥基中,只有Nb—OH—Nb橋羥基呈現(xiàn)明顯的B酸酸性,而Nb—OH—Al橋羥基幾乎不呈現(xiàn)B酸性,理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.這一結(jié)果表明,在Nb2O5/γ-Al2O3催化劑表面,B酸位由Nb—OH—Nb橋羥基產(chǎn)生.在低負(fù)載量下,Nb2O5在γ-Al2O3表面以孤立的NbOx物種形式存在,與表面形成Nb—O—Al鍵,因而沒有可觀測(cè)到的B酸位.隨著Nb2O5負(fù)載量增加,相鄰的Nb—O—Al鍵間形成Nb—O—Nb鍵,從而在催化劑表面形成了B酸位.結(jié)果表明,當(dāng)負(fù)載量增加到一定值時(shí),載體γ-Al2O3表面孤立的NbOx物種結(jié)合形成了聚集態(tài)NbOx的物種,即形成Nb—O—Nb鍵,這一值即為表面B酸位形成的閾值,超過這一閾值表面出現(xiàn)了可觀測(cè)量的B酸位,并且B酸位量隨Nb2O5負(fù)載量的增加,表面NbOx物種聚集程度增加,B酸量增加,同時(shí)B酸位強(qiáng)度增強(qiáng).在單層分散容量以上,NbOx物種聚集體向三維方向增長(zhǎng),形成了多層Nb—O—Nb鍵結(jié)構(gòu),結(jié)果每一個(gè)Nb原子周圍的Nb原子數(shù)增加,有利于B酸位的形成,表面B酸位增加,強(qiáng)度增強(qiáng),并出現(xiàn)了較強(qiáng)的B酸位,具有無定型體相結(jié)構(gòu)的鈮酸(Nb2O5·nH2O)具有最大的表面B酸位量和最強(qiáng)的B酸強(qiáng)度.

IB與IBA縮合生成DMHD的反應(yīng)是B酸催化反應(yīng)[20,28],催化劑表面B酸位量與催化活性呈現(xiàn)良好的相關(guān)性,通過比較圖5與圖7結(jié)果可以看出這一相關(guān)性,即在Nb2O5/γ-Al2O3催化劑上,隨著Nb2O5負(fù)載量的增加,表面Nb—O—Nb物種增加,表面B酸位量增加,導(dǎo)致IB與IBA反應(yīng)生成DMHD的TOF值增加.在單層分散容量以上,由于表面形成了較強(qiáng)的B酸位,使DMHD的選擇性降低.我們認(rèn)為,在IB與IBA縮合生成DMHD的反應(yīng)中,聚集狀態(tài)NbOx物種形成的Nb—OH—Nb橋羥基比孤立的NbOx物種形成的Nb—OH—Al橋羥基具有更高的催化活性.

3 結(jié) 論

(1)由XRD定量分析方法測(cè)得Nb在γ-Al2O3表面的單層分散容量為7.6 μmol·m-2,與“嵌入模型”按Nb5+離子進(jìn)入γ-Al2O3優(yōu)先暴露面(110)面C層和D層的八面體空位估算值7.5 μmol·m-2一致.

(2)當(dāng)Nb2O5的負(fù)載量遠(yuǎn)低于其分散容量時(shí),高度分散于γ-Al2O3表面八面體空位的NbOx物種主要通過Nb—O—Al鍵與γ-Al2O3表面連接,隨著負(fù)載量的增加,孤立的NbOx物種傾向于與近鄰的NbOx通過Nb—O—Nb鍵相連而聚合.當(dāng)Nb2O5的負(fù)載量超過其單層分散容量,表面NbOx物種通過Nb—O—Nb鍵聚合形成三維聚集態(tài)NbOx物種結(jié)構(gòu).

(3)Nb2O5/γ-Al2O3催化劑表面的B酸位特征與載體表面NbOx物種聚集狀態(tài)密切相關(guān).只有聚集狀態(tài)的NbOx物種形成的Nb—OH—Nb橋羥基才呈現(xiàn)明顯的B酸酸性.隨著負(fù)載量增加,NbOx物種聚合度增大,更多的Nb—O—Al鍵轉(zhuǎn)化為Nb—O—Nb鍵,表面B酸酸量增加,強(qiáng)度增強(qiáng),IB與IBA縮合形成DMHD轉(zhuǎn)化頻率(TOF)增加.

(4)當(dāng)Nb2O5的負(fù)載量超過其單層分散容量,其中只有部分NbOx物種位于表面,與二維NbOx物種相比較其表面利用率下降,Nb2O5/γ-Al2O3催化劑活性(TOF)下降,同時(shí)表面出現(xiàn)較強(qiáng)的B酸位,導(dǎo)致DMHD的選擇性降低.

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August 28,2009;Revised:December 3,2009;Published on Web:January 4,2010.

Dispersion and Acidity of Niobia on Nb2O5/γ-Al2O3

HE Jie1,2,*FAN Yi-Ning2
(1School of Chemical Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,Anhui Province,P.R.China;2Key Laboratory of Mesoscopic Chemistry of the Ministry of Education,School of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University,Nanjing 210093,P.R.China)

Supported niobium pentoxide materials are effective catalysts for a variety of reactions.Nb2O5/γ-Al2O3catalysts with different Nb2O5loadings were prepared by aqueous solution impregnation using niobium oxalate as a precursor on γ-Al2O3.The samples were characterized with respect to the dispersion state of the niobium oxide species on γ-Al2O3by X-ray power diffraction(XRD)and laser Raman spectroscopy(LRS).The nature of the surface acidity was investigated using Fourier-transform infrared spectroscopy of pyridine adsorption(Py-IR).The catalytic activity of the as-prepared catalysts was evaluated by the condensation reaction of iso-butene(IB)and iso-butyraldehyde(IBA)to form 2,5-dimethyl-2,4-hexadiene(DMHD).Results reveal that the dispersion capacity(ΓNb)of Nb on γ-Al2O3is about 7.6 μmol·m-2.This value is almost identical to the density of the octahedral vacant sites of the preferentially exposed (110)plane(7.5 μmol·m-2)on the surface of the γ-Al2O3support.Additionally,the“incorporated model”suggests that Nb5+cations are located on the vacant sites of the(110)plane on γ-Al2O3.These results suggest that isolated niobia (NbOx)species are present and are bound to the surface of the γ-Al2O3support through Nb—O—Al bonds at a loading well below that corresponding to monolayer dispersion.This is consistent with the result from LRS.The formation of isolated NbOxspecies,which binds to the surface of the support through Nb—O—Al bonds,causes a decrease in the amount of surface Lewis acid sites(LAS)on the Nb2O5/γ-Al2O3catalysts.With an increase in Nb2O5loading,polymeric NbOxspecies are formed by the Nb—O—Nb bridging of neighboring isolated NbOxspecies and Br?nsted acid sites(BAS)are generated.We found that the catalytic activity towards the condensation reaction of IB and IBA to form DMHD increased because the amount and strength of the Br?nsted acid sites increased as the number of polymeric niobia species increased.When the loading exceeds the monolayer dispersion capacity,the catalytic activity(turnoverfrequency(TOF)ofDMHD)decreasedbecause of the formation of the three-dimensional NbOxspecies. Additionally,the selectivity of DMHD decreased because of an increase in the strength of the Br?nsted acid sites.We suggest that the strength of the Br?nsted acid sites are related to the state of NbOxon the surface of the Nb2O5/γ-Al2O3catalysts.

Surface acidity; Nb2O5/γ-Al2O3; NbOxsurface species; Olefin-aldehyde condensation

[Article] www.whxb.pku.edu.cn

*Corresponding author.Email:jhe@aust.edu.cn;Tel:+86-554-6668497.

The project was supported by the National Key Basic Research Program of China(G1999022400).

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(G1999022400)資助項(xiàng)目

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