丙二酸二乙酯在Cu/SiO2催化劑上的加氫過程

丁同梅，吳文濱，田恒水

（華東理工大學 化工學院，上海 200237）

丙二酸二乙酯在Cu/SiO2催化劑上的加氫過程

丁同梅，吳文濱，田恒水

（華東理工大學 化工學院，上海 200237）

在連續流動固定床反應器上，研究了Cu/SiO2催化丙二酸二乙酯（DEM）加氫制備1，3-丙二醇（1，3-PDO）的反應。采用H2-TPR、XRD、SEM、N2吸附-脫附等方法對催化劑進行表征。進一步優化了原料液含量、氫酯摩爾比、液態空速、反應溫度、反應壓力等因素對反應結果的影響。表征結果顯示，不同還原條件會影響Cu/SiO2還原后活性銅的量及其分散狀態；于300 ℃下還原4 h時，Cu/SiO2催化劑的活性中心較多且分散均勻。實驗結果表明，采用于300 ℃下還原4 h的Cu/SiO2催化劑，在原料液含量7.5%（w）、氫酯摩爾比330、液態空速1.8 h-1、反應溫度200 ℃、反應壓力2.0 MPa的反應條件下，DEM的轉化率為85.2%，產物1，3-PDO的收率為41.0%，副產物3-羥基丙酸乙酯的收率為32.9 %。

Cu/SiO2催化劑；丙二酸二乙酯；催化加氫；1，3-丙二醇

1，3-丙二醇（1，3-PDO）是合成聚對苯二甲酸丙二醇酯的重要原料［1-2］。目前，1，3-PDO的生產方法包括環氧乙烷法［3］、丙烯醛法［4］和微生物發酵法［5］，但上述方法存在反應溫度和反應壓力過高、原料不易獲得、中間體不穩定及產品品質不高等缺點。采用丙二酸二乙酯（DEM）為原料催化加氫直接合成1，3-PDO，避免了傳統工藝中不穩定中間體醛的生成。

采用蒸氨法制備Cu/SiO2催化劑可獲得較高的銅負載量及分散度，在草酸二甲酯（DMO）加氫工藝中表現出卓越的活性［6-10］。Chen等［11］采用蒸氨法制備Cu/SiO2催化劑，當蒸氨溫度為90 ℃、液態空速為0.25 h-1時，DMO轉化率達100%，乙二醇收率為98%，催化性能提高的主要原因在于活性銅比表面積增大、銅與載體間的相互作用較強以及Cu0與Cu+間的協同作用。Zhao等［12］采用蒸氨水熱法制備了Cu/SiO2催化劑，考察了硼助劑對催化劑活性和熱穩定性的影響，發現當n（Cu）：n（B）= 3時可以有效促進銅物種的分散，增大銅與載體間的相互作用，抑制粒徑增長，從而提高催化性能。Cu/SiO2催化劑也可以應用于馬來酸二甲酯加氫體系，產物為1，4-丁二醇、四氫呋喃、γ-丁內酯等，在不同的工藝條件下其產物分布不同［13-15］。Cu/SiO2催化劑在DEM加氫反應中的應用鮮有報道。

本工作在連續流動固定床反應器上，采用蒸氨法制備了Cu/SiO2催化劑，研究了DEM加氫制備1，3-PDO的反應。采用H2-TPR、XRD、SEM、N2吸附-脫附等方法對催化劑進行表征。進一步優化了原料液含量、氫酯摩爾比、液態空速、反應溫度、反應壓力等反應條件對反應結果的影響。

1 實驗部分

1.1 反應歷程

DEM加氫生成中間體3-羥基丙酸乙酯（3-HPE），而3-HPE再次加氫可生成1，3-PDO， 但1，3-PDO過度加氫則被還原為正丙醇，反應歷程見式（1）～（3）。

1.2 試劑

DEM、乙醇：化學純，上海凌峰化學試劑有限公司；1，3-PDO：分析純，百靈威科技有限公司；3-HPE：分析純，上海韶遠化學科技有限公司；Cu（NO3）2·3H2O：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；硅溶膠JN-30：青島海洋化工有限公司；氨水：25%（w）水溶液，上海凌峰化學試劑有限公司。

1.3 催化劑的制備

稱取一定量的Cu（NO3）2·3H2O 溶于去離子水中，劇烈攪拌，滴加氨水，然后滴加硅溶膠JN-30，40 ℃下老化4 h；于90 ℃下蒸氨至中性，過濾、水洗、醇洗后，于120 ℃下干燥12 h，然后在450 ℃下焙燒4 h，壓片、研磨、篩分，即可得到Cu/SiO2催化劑。

通入流量為100 mL/min的純H2，在不同工藝條件下活化Cu/SiO2催化劑（活化條件見表1）。于400℃下還原3 h，記為Cu/SiO2-400；于300 ℃下還原4 h，記為Cu/SiO2-300；于300 ℃下還原2 h，記為Cu/SiO2-300-2；于300 ℃下還原8 h，記為Cu/SiO2-300-8；于200 ℃下還原24 h，記為Cu/SiO2-200；以2 ℃/min的升溫速率從室溫升至300 ℃還原4 h，記為Cu/SiO2-TP。

表1 Cu/SiO2催化劑的活化條件Table 1 Activation conditions of the Cu/SiO2catalyst

1.4 催化劑的評價

反應前量取5 mL催化劑裝入連續流動固定床反應器中，反應器兩端裝填石英砂以避免溝流。在不同工藝條件下，通入流量為100 mL/min的純H2，平流泵泵入DEM溶液，然后調整反應溫度、反應壓力、氫酯摩爾比、液態空速等工藝條件進行實驗。反應進入穩定期（5～6 h）后，取樣分析。產物采用上海科創色譜儀器有限公司GC9800型氣相色譜儀分析，FID檢測，色譜柱為HT-5毛細管柱（柱長30 m、內徑0.25 mm）。

1.5 催化劑的表征

采用美國Micromeritics公司Autochem Ⅱ ASAP 2090型全自動多用吸附儀進行H2-TPR表征，催化劑用量50 mg。實驗前先用Ar于200 ℃下吹掃1 h，降至室溫，再以10 ℃/min的升溫速率升至450 ℃，通入10%（φ）H2-90%（φ）Ar混合氣為還原氣，流量40 mL/min，TCD檢測耗氫量。

采用德國Bruker公司D8 FOCUS型 X射線粉末衍射儀分析催化劑的晶相結構，CuKα射線，掃描范圍10°～80°，掃描速率2（°）/min，管電壓40 kV，管電流100 mA。

采用美國FEI公司Nova Nano SEM 450型場發射掃描電子顯微鏡對催化劑試樣進行形貌分析，測試前需進行鍍金處理。

采用美國Micromeritics公司ASAP2020型物理吸附儀對催化劑試樣的比表面積和孔徑進行分析，試樣在300 ℃下抽真空預處理4 h，在低溫下進行N2吸附-脫附實驗。采用BET法計算試樣的比表面積，采用BJH方法計算試樣的孔體積和孔徑。

2 結果與討論

2.1 催化劑的表征結果

2.1.1 H2-TPR表征結果

Espinos等［16］報道，標準CuO的還原峰出現在320 ℃處。圖1為Cu/SiO2催化劑的H2-TPR譜圖。由圖1可見，Cu/SiO2催化劑在190 ℃處出現了較窄的還原峰，歸屬于分散較好的CuO和被覆蓋以及Cu—O—Si的還原峰［17］。較低的還原溫度說明Cu/ SiO2催化劑易被還原，可提供更多的活性中心。同時在275 ℃附近出現了少量大顆粒CuO晶體的還原峰［18］。

圖1 Cu/SiO2催化劑的H2-TPR譜圖Fig.1 H2-TPR profle of Cu/SiO2catalyst.

2.1.2 XRD表征結果

圖2為Cu/SiO2催化劑的XRD譜圖。由圖2可知，Cu/SiO2-200和Cu/SiO2-TP的衍射峰并不明顯，僅出現了較小的Cu+衍射峰，說明催化劑還原程度不夠，活性位較少；而Cu/SiO2-300和Cu/SiO2-400的Cu+和Cu0衍射峰強度明顯增強，說明升高還原溫度可使銅組分的還原程度加深，活性中心增多，但導致粒徑增大；Cu/SiO2-400的Cu0還原峰強度比Cu/SiO2-300高，說明前者出現了一定程度的燒結而導致粒徑相對較大。

2.1.3 SEM表征結果

圖3為Cu/SiO2催化劑的SEM照片。理論上，催化劑表面的活性中心數是影響催化性能的關鍵因素。由圖3可知，還原后的催化劑均很好地保持了載體波紋多孔的結構，特別是Cu/SiO2-300（見圖3B）。Cu/SiO2-300催化劑中銅顆粒均勻分散于載體表面；Cu/SiO2-200催化劑表面的銅顆粒明顯較少，說明催化劑在較低溫度下還原程度較低，活性中心少；Cu/SiO2-400催化劑表面則出現了輕微的團聚；Cu/SiO2-TP催化劑表面的活性銅顆粒也不多。

圖2 Cu/SiO2催化劑的XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of Cu/SiO2catalysts.Samples referred to Table 1.a Cu/SiO2-400；b Cu/SiO2-300；c Cu/SiO2-200；d Cu/SiO2-TP；e Cu/SiO2after calcinations□ Cu；● Cu2O；○ SiO2

2.1.4 N2吸附-脫附表征結果

表2為不同條件下還原的Cu/SiO2催化劑的織構性質。由表2可知，隨還原溫度的升高，催化劑的比表面積、孔體積、孔徑等均先減小后增大，其中，Cu/SiO2-300催化劑各織構性質數值均最小，說明該溫度下還原的催化劑載體表面活性中心較多。

表2 不同條件下還原的Cu/SiO2催化劑的織構性質Table 2 Texture properties of Cu/SiO2catalysts reduced at diferent conditions

圖4為不同催化劑的N2吸附-脫附等溫線和孔分布曲線。由圖4可知，不同溫度下還原后的Cu/ SiO2催化劑均表現出Ⅳ型吸附等溫線，符合典型大孔介孔材料的特征。Cu/SiO2-200催化劑的孔徑相對較小，孔分布相對均勻；Cu/SiO2-300催化劑的飽和吸附平臺較長，說明其孔分布較均勻； Cu/ SiO2-400催化劑的飽和吸附平臺也較長，但是孔徑明顯較大且分布較寬，說明催化劑中顆粒有聚集。這與XRD和SEM表征結果相吻合。

圖3 Cu/SiO2催化劑的SEM照片Fig.3 SEM images of Cu/SiO2catalysts.A Cu/SiO2-200；B Cu/SiO2-300；C Cu/SiO2-400；D Cu/SiO2-TP

圖4 不同催化劑的N2吸附-脫附等溫線（A）和孔分布曲線（B）Fig.4 N2adsorption-desorption isotherms(A) and pore size distribution(B) of diferent catalysts.a Cu/SiO2-200；b Cu/SiO2-300；c Cu/SiO2-400；d Cu/SiO2-TP

2.2 還原條件對反應結果的影響

表3為還原條件對Cu/SiO2催化劑性能的影響。由表3可看出，還原條件對反應結果有顯著影響。

表3 還原條件對Cu/SiO2催化劑性能的影響Table 3 Infuences of reduction conditions of the Cu/SiO2catalyst on the catalytic hydrogenation of DEM

采用Cu/SiO2-300和Cu/SiO2-400催化劑進行反應可生成目標產物1，3-PDO；而采用Cu/SiO2-200和Cu/SiO2-TP催化劑進行反應，其效果均較差，無法得到目標產物。在較佳還原溫度（300 ℃）時，隨還原時間的延長，DEM的轉化率不斷減小，1，3-PDO的收率先增大后減小。這是由于還原時間較短，活性位較少，DEM更易發生分解而導致目標產物收率較低。還原時間過長，則會導致活性中心在高溫、長時間的作用下燒結。因此，較佳的還原工藝為：在300 ℃下還原4 h。此外，還發現主要的液相副產物為正丙醇和丙酸乙酯。

通過XRD、SEM和BET的表征結果可發現，Cu/SiO2-300催化劑可以提供較多的活性中心且分散均勻，決定了1，3-PDO的選擇性最高；而Cu/ SiO2-200和Cu/SiO2-TP的活性中心少導致催化效果較差；Cu/SiO2-400催化劑在高溫還原后出現了銅的燒結導致顆粒粒徑較大，1，3-PDO的選擇性和收率相對Cu/SiO2-300較低。因此，確定較佳的還原工藝為300 ℃還原4 h。

2.3 反應條件對反應的影響

2.3.1 原料液中DEM含量的影響

圖5為原料液中DEM含量對反應的影響。

圖5 原料液中DEM含量對反應的影響Fig.5 Efects of DEM content in raw materials on the catalytic hydrogenation.Conditions：Cu/SiO2-300 catalyst， 200 ℃，2.0 MPa，n(H2)：n(DEM)=440，LHSV=1.8 h-1.■ DEM conversion；● 1，3-PDO yield；▲ 3-HPE yield

由圖5可知，隨原料液中DEM含量的增加，DEM的轉化率先增大后減小，在原料液中DEM含量為10%（w）時，DEM的轉化率達到最高為90.7%；產物1，3-PDO的收率也出現了先增大后減小的趨勢，在原料液中DEM含量為7.5%（w）時，達到最高為37.3%；中間產物3-HPE的收率則基本上隨原料液含量的增大而不斷增加。可見，DEM用量過低，過度還原嚴重，導致收率較低；而DEM用量過高，則易得到更多的3-HPE。因此，原料液中DEM的較佳含量為7.5%（w）。

2.3.2 氫酯摩爾比的影響

圖6為氫酯摩爾比對反應的影響。由圖6可知，隨氫酯摩爾比的增大，DEM的轉化率不斷增大，說明氫酯摩爾比增大可提高催化劑的活性；產物1，3-PDO的收率在氫酯摩爾比為220～440時，總體變化不大，當氫酯摩爾比為550時，產物1，3-PDO的收率顯著下降，這是因為氫酯摩爾比過大會降低DEM分壓，導致過度還原加劇；中間產物3-HPE的收率變化趨勢與產物1，3-PDO的收率基本一致。產物1，3-PDO的收率在氫酯摩爾比為330時達到最高為41.0%。

圖6 氫酯摩爾比對反應的影響Fig.6 Efects ofn(H2)：n(DEM) on the catalytic hydrogenation.Conditions：Cu/SiO2-300 catalyst， 200 ℃，2.0 MPa，LHSV=1.8 h-1，w(DEM)=7.5%.■ DEM conversion；● 1，3-PDO yield；▲ 3-HPE yield

2.3.3 液態空速的影響

圖7為液態空速對反應的影響。

圖7 液態空速對反應的影響Fig.7 Efects of LHSV on the catalytic hydrogenation.Conditions：Cu/SiO2-300 catalyst，200 ℃，2.0 MPa，n(H2)：n(DEM)=330，w(DEM)=7.5%.■ DEM conversion；● 1，3-PDO yield；▲ 3-HPE yield

由圖7可知，隨液態空速的增大，DEM的轉化率先增大后減小，在液態空速為2.4 h-1時降至75.4%；產物1，3-PDO的收率隨液態空速的增大，先減小后增大再減小，在液態空速為1.8 h-1時達到最大；中間產物3-HPE的收率則不斷增大。這是由于當液態空速較低時，原料停留時間較長會導致過度還原加劇；而液態空速較高時，原料停留時間較短，原料還未完全反應就離開了反應器。因此，確定較佳的液態空速為1.8 h-1。

2.3.4 反應溫度的影響

圖8為反應溫度對反應的影響。由圖8可知，隨反應溫度從180 ℃增至210 ℃，DEM的轉化率先增大后減小，在反應溫度為205 ℃時達到最高為96.9%；產物1，3-PDO的收率隨反應溫度的升高先增大后減小，在反應溫度為200 ℃時達到最高；中間產物3-HPE的收率先減小后增大。該反應為放熱反應，溫度升高有利于副反應的進行，對主反應不利；但溫度過低會導致催化劑的活性不高，因此需要保證合適的溫度。因此，確定較佳的反應溫度為200 ℃。

2.3.5 反應壓力的影響

圖9為反應壓力對反應的影響。由圖9可知，隨反應壓力的增大，DEM的轉化率先增大后趨于平緩；產物1，3-PDO的收率先增大后減小，在2.0 MPa時達到最大；3-HPE的收率也先增大后減小。因此，確定較佳的反應壓力為2.0 MPa。

綜上所述，較佳的工藝條件為：原料液中DEM的含量7.5%（w）、氫酯摩爾比330、液態空速1.8 h-1、反應溫度200 ℃、反應壓力2.0 MPa。DEM轉化率為85.2 %，產物1，3-PDO收率為41.0%，副產物3-HPE收率為32.9%。

圖8 反應溫度對反應的影響Fig.8 Efects of reaction temperature on the catalytic hydrogenation.Conditions：Cu/SiO2-300 catalyst，2.0 MPa，n(H2)：n(DEM)=330，w(DEM)=7.5%，LHSV=1.8 h-1.■ DEM conversion；● 1，3-PDO yield；▲ 3-HPE yield

圖9 反應壓力對反應的影響Fig.9 Efects of reaction pressure on the catalytic hydrogenation.Conditions：Cu/SiO2-300 catalyst，200 ℃，n(H2)：n(DEM)=330，w(DEM)=7.5%，LHSV=1.8 h-1.■ DEM conversion；● 1，3-PDO yield；▲ 3-HPE yield

3 結論

1）采用蒸氨法制備了Cu/SiO2催化劑，H2-TPR、XRD、SEM、N2吸附-脫附等表征結果表明，Cu/SiO2催化劑在300 ℃下還原4 h時可提供較多的活性中心且分散均勻，催化性能較優。

2）Cu/SiO2催化劑催化DEM加氫制備1，3-PDO較佳的工藝條件為：采用于300 ℃下還原4 h的Cu/ SiO2催化劑，在原料液中DEM的含量7.5%（w）、氫酯摩爾比330、液態空速1.8 h-1、反應溫度200℃、反應壓力2.0 MPa的條件下，DEM的轉化率為85.2%，產物1，3-PDO的收率為41.0%，副產物3-HPE的收率為32.9%。

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（編輯 楊天予）

敬告讀者：從2016年第1期開始，本刊“專題報道”欄目將連續刊出北京化工大學的系列專題報道。該專題主要報道化工資源有效利用國家重點實驗室段雪院士課題組最近在結構可控超分子功能材料及其有序組裝體方面的研究進展，包括層狀無機功能材料和納米陣列材料的制備及其在結構化催化與吸附、分離、儲能器件、資源循環利用和環境保護等方面的應用基礎研究以及產業化研究的最新成果。敬請廣大讀者給予關注。

專題報道：本期綜述了密度梯度離心分離的原理、方法、體系及其在單分散功能納米材料制備中的應用，并對其發展前景進行了展望。見本期648-655頁。

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The hydrogenation process of diethyl malonate over Cu/SiO2catalyst

Ding Tongmei，Wu Wenbin，Tian Hengshui
（Department of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

The gas-phase hydrogenation of diethyl malonate to 1，3-propanediol over Cu/SiO2catalysts was investigated in a continuous f xed-bed reactor. The catalysts were characterized by means of H2-TPR，XRD，SEM and N2adsorption-desorption，which indicated that the active sites and their dispersity were af ected by reduction conditions. The catalyst reduced at 300 ℃ for 4 h，which possessed more active sites and better dispersion，showed the optimum catalytic performance. The ef ects of raw material concentration，mole ratio of hydrogen to diethyl malonate，LHSV，reaction temperature and reaction pressure on the catalytic hydrogenation were investigated. The results showed that，under the optimized conditions of raw material concentration 7.5%(w)，mole ratio of hydrogen to diethyl malonate 330，LHSV 1.8 h-1，reaction temperature 200 ℃ and reaction pressure 2.0 MPa，the diethyl malonate conversion，1，3-propanediol yield and 3-hydroxy ethyl propionate yield could reach 85.2%， 41.0% and 32.9%， respectively.

Cu/SiO2catalyst；diethyl malonate；catalytic hydrogenation；1，3-propanediol

1000 - 8144（2016）06 - 0664 - 07

TQ 032

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.06.004

2015 - 11 - 26；［修改稿日期］2016 - 03 - 08。

丁同梅（1981—），女，江蘇省東臺市人，博士生，電話 021 - 64251914，電郵 dtm_1106@163.com。聯系人：田恒水，電話021 - 64252198，電郵 hstian@ecust.edu.cn。