張 俊,李云平,王保玉

(洛陽師范學院化學化工系,河南洛陽 471022）

雙金屬催化劑體系催化過氧化氫分解反應

張 俊,李云平,王保玉

(洛陽師范學院化學化工系,河南洛陽 471022）

研究了雙金屬催化劑體系催化過氧化氫分解反應,測量了不同催化劑體系的活化能.結(jié)果表明,雙金屬催化劑對過氧化氫分解反應具有良好的催化性能,且雙金屬催化劑存在協(xié)同催化作用;而酸性環(huán)境對過氧化氫催化分解有明顯的抑制作用.

雙金屬催化劑;過氧化氫;分解反應

Abstract:The decomposition reaction of hydrogen peroxide catalyzed by dual-metal catalyst systems was investigated,and the activation energy for various catalyst systems was measured.Results show that dual-metal catalysts have good catalytic performance for the decomposition reaction of hydrogen peroxide,and there exists synergistic catalytic function for the dual-metal catalyst systems.However,acidic environment significantly retarded the catalyzed decomposition of hydrogen peroxide.

Keywords:dual-metal catalyst;hydrogen peroxide;decomposition reaction

作為一種“綠色”試劑,H2O2廣泛用于化工、紡織、造紙、軍工、電子、航天、醫(yī)藥、食品、建筑及環(huán)境保護等行業(yè),可扮演氧化劑、漂白劑、消毒劑、脫氧劑、聚合物引發(fā)劑和齊聯(lián)劑等角色,同時過氧化氫能加速人體的衰老過程,縮短人的壽命,具有致癌危險性等.純凈的過氧化氫是比較穩(wěn)定的,在30℃時,純的 H2O2一年的分解率僅為1%.催化分解過氧化氫的研究對于進一步研究消除生物體代謝過程中的伴生物HO-,延緩衰老、防止癌變及其他疾病具有重要作用[1].目前,對 H2O2催化分解的研究主要集中在新型催化劑的開發(fā)上[2].

雙金屬催化劑是過去幾十年來催化領域的研究熱點之一,第二種金屬(即使本身無活性)的加入能夠改變反應的活性和選擇性,特別是能夠改善催化劑的穩(wěn)定性,它在許多催化反應中表現(xiàn)出不同尋常的活性,通過兩種金屬的協(xié)同作用,可以取得單金屬所沒有的高活性和高選擇性[3].由于雙金屬催化劑存在著各種各樣的組合,加入的第二種金屬可以是貴金屬或輕過渡金屬,所以雙金屬催化劑具有很大的開發(fā)潛力[4-5].本文作者以雙金屬催化劑來催化分解 H2O2,以研究其動力學性質(zhì),既具有一定的理論意義,又具有一定的應用價值.

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

501超級恒溫槽,上海市實驗儀器廠;恒溫恒壓量氣裝置,自制;H2O2,質(zhì)量分數(shù)30%,分析純;其余試劑均為市售分析純試劑.

1.2 實驗原理

過氧化氫的分解反應式為:H2O2→H2O+1/2O2,為一級反應,實驗采用量氣法測量 t時刻的Vt,以ln(V∞-Vt)/V∞對t作圖得一直線,斜率的數(shù)值即為速率常數(shù) k.

1.3 實驗步驟

1.3.1 雙金屬催化劑的配制

稱取0.02 mol FeCl3,0.002 mol CuCl2,加蒸餾水定容至100 mL,得到雙金屬催化劑 FeCl3-CuCl2;n(Fe)∶n(Cu)=10∶1.其他雙金屬催化劑體系用相同方法配制.

稱取0.02 mol FeCl3,0.002 mol CuCl2,4 mol/L HCl溶液10 mL,加蒸餾水定容至100 mL,得到雙金屬催化劑FeCl3-CuCl2-HCl.

1.3.2 活化能的測定

依次調(diào)節(jié)恒溫槽溫度為25℃,30℃,35℃,40℃,45℃.測量不同溫度下的過氧化氫分解反應的速率常數(shù)k,根據(jù)阿倫尼烏斯公式:lnk= -Ea/RT+B,求出反應的活化能.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同催化劑體系對過氧化氫分解反應的影響

由表1可見:30℃時,用FeCl3和CuCl2作為催化劑催化分解過氧化氫,兩種催化劑都催化過氧化氫的分解(Run 1,2);但與Run 3,4比較發(fā)現(xiàn),雙金屬催化劑比單金屬催化劑有著更好的催化性能,其速率常數(shù)大于兩種單金屬催化劑速率常數(shù)的加和,可見通過兩種金屬的協(xié)同作用,可以取得單金屬催化劑所沒有的高活性,能顯著加速過氧化氫的分解.比較Run 3,4還可以發(fā)現(xiàn),對于第二金屬組分,起催化作用的主要為金屬離子,陰離子(Cl-,SO2-4)對反應沒有明顯的影響.

表1 不同催化劑體系對過氧化氫分解反應的影響Table 1 Effect of different catalyst systems on decomposition reaction of hydrogen peroxide

2.2 第二金屬組分對過氧化氫分解反應的影響

如表2所示:在催化過氧化氫分解過程中,雙金屬協(xié)同催化作用是一種普遍存在的現(xiàn)象.不僅Cu2+,其他主族金屬離子如 K+,Ca2+,過渡金屬離子如Mn2+,Ni2+,Zn2+,都能顯著加速過氧化氫的分解.

表2 第二金屬組分對過氧化氫分解反應的影響Table 2 Effect of the second metal on decomposition reaction of hydrogen peroxide

2.3 酸性環(huán)境對過氧化氫分解反應的影響

如表3所示:酸性環(huán)境對催化過氧化氫分解有明顯的抑制作用,無論是單金屬體系(Run 1、2),還是雙金屬體系(Run 3、4),這種抑制作用都非常明顯.

表3 酸性環(huán)境對過氧化氫分解反應的影響Table 3 Effect of sour environment on decomposition reaction of hydrogen peroxide

2.4 不同催化劑體系催化過氧化氫分解反應的活化能

分別在 25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃,測量并計算 CuCl2、FeCl3、FeCl3-HCl、FeCl3-CuCl2、FeCl3-CuCl2-HCl五種催化劑體系的速率常數(shù),以lnk對1/T作圖,由阿倫尼烏斯經(jīng)驗公式得圖1.由圖1可以看到,在25℃到45℃的溫度范圍內(nèi),催化劑的活性隨溫度的升高而增加,五種催化劑體系的速率常數(shù)都很好的符合阿倫尼烏斯經(jīng)驗公式.

由圖1計算出五種催化劑體系的活化能.如表4所示,在催化劑的催化作用下,過氧化氫分解反應的活化能都有明顯降低.

圖1 不同催化劑體系催化過氧化氫分解的阿倫尼烏斯曲線Fig.1 Arrhenius’s curve of different catalyst systems

表4 不同催化劑體系的活化能Table 4 Activation energy of different catalyst systems

3 小結(jié)

雙金屬催化劑比單金屬催化劑有著更好的催化性能,其速率常數(shù)大于兩種單金屬催化劑速率常數(shù)的加和.不論主族金屬離子,還是過渡金屬離子在催化過氧化氫分解過程中,都體現(xiàn)出明顯的雙金屬協(xié)同催化作用.無論是單金屬體系,還是雙金屬體系,酸性環(huán)境對催化過氧化氫分解都有明顯的抑制作用.在25℃到45℃的溫度范圍內(nèi),催化劑的活性隨溫度的升高而增加,五種催化劑體系的速率常數(shù)都很好地符合阿倫尼烏斯經(jīng)驗公式.

[1]張麗霞,龐承新,譚延光.影響過氧化氫催化分解速率的因素[J].廣西師范學院學報:自然科學版,2008,(4):52-56.

[2]姜成春,龐素艷,江進,等.Fe(Ⅲ)催化過氧化氫分解影響因素分析[J].環(huán)境科學學報,2007(7):1197-1202.

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Decomposition reaction of hydrogen peroxide catalyzed by dual-metal catalyst systems

ZHANGJun,LI Yun-ping,WANGBao-yu

(Department of Chemistry and Chemical Engineering,L uoyang Teachers College,L uoyang471022,Henan,China)

O 643.13

A

1008-1011(2011)01-0058-03

2010-09-28.

張 俊(1977-),男,副教授,博士.研究方向:工業(yè)催化.E-mail:zhjosso@sina.com.