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    生产芳香胺用的铁氧化物催化剂

    作者:Ute V. Zweydorff 文章来源:莱比锡罗斯托克大学催化技术研究所LIKAT  点击数:738  发布时间:09-03
    德国著名的思想家、小说家和诗人歌德在浮士德中写道:“人们所期待的是:硬币生锈后的价值”(浮士德II 8223,8224)。罗斯托克的科学家们却发现了锈迹背后隐藏的可能有着丰富应用的一面。

    德国著名的思想家、小说家和诗人歌德在浮士德中写道:“人们所期待的是:硬币生锈后的价值”(浮士德II 82238224)。罗斯托克的科学家们却发现了锈迹背后隐藏的可能有着丰富应用的一面。

     

    图1.锈蚀是一种破坏性的化学反应。

     

    一直以来,人们都把生锈视为一种破坏性的物理现象。但莱比锡罗斯托克催化剂研究所(LIKAT)的科学家们却发现了锈蚀有着有用的一面。锈蚀会产生一种可生产芳香胺的催化剂,而这种催化剂的主要成分就是铁氧化物,简称为铁锈。这不仅在科学界甚至是经济领域中都是非常令人感兴趣的发现。

    “在资源越来越紧缺的时代,这一发现有两方面的重要意义:首先是铁元素,我们生活的地球中含量丰富的铁元素是一种加速剂;另外,这种物美价廉的金属元素或许会对中间产品生产有着巨大的支持作用。”莱比锡罗斯托克催化剂研究所的领导人和这一课题组的领导人Matthias Beller先生说道。这种每年市场销售量高达四百万吨的中间产品就是芳香胺。

    今天,芳香族的胺类物质在工业化的油漆、颜料、农业化学试剂和药品等生产中得到广泛应用,可以利用催化加氢的方法生产出来的。而生产芳香胺的原材料则是芳硝基化合物(例如硝基苯)。在加入氢元素的催化作用下这些原材料会反应出芳香族的胺(例如:苯胺)。

     

    铁氧化物基物质催化法的优点

    铁氧化物催化技术的研究和应用有着50多年的历史了。在传统的铁氧化物生产工艺方法中,要用到多种贵金属,例如钯、铑、钌、铱等;而这些贵金属不仅价格昂贵、蕴藏量稀少,而且还不可再生。迄今为止,大型工业化生产过程中使用的催化器常常有着非常复杂的结构,使用操作的要求也很高,导致生产多种合成产品的可能性也大大受限。

    以铁氧化物为基础的催化技术以其使用寿命长和催化效率高而著称。这一特性有利于环境保护的可持续发展,结合其很低的毒性,使得铁氧化物催化器成为理想的流程工艺原材料。而从工业化生产的角度出发,能够回收生产过程中使用的催化剂是一件很有意义的事情。因为从异质催化反应中回收铁氧化物催化剂的方法完全不同于同质催化反应。

     

    80多个应用实例

    科学技术委员会最感兴趣的是莱比锡罗斯托克研究所LIKAT展示的利用改性铁氧化物生产多种不同芳香胺的新型催化剂。而铁锈是研发这种催化剂的基础。

    首先把乙酸亚铁与向心配合价体均匀的混合在一起。这里的向心配合价体指的是围绕金属原子、例如铁的分子。然后在这种混合物中加入作为石墨结构碳载体的活性碳粉末,加热到大约800摄氏度。

    在完成热解反应之后,全部分子都被重新排列起来了。这样制成的催化剂:铁氧化物围绕一个个氮原子的催化剂可在多种不同硝基芳香化合物的加氢反应中使用:转换成所希望的芳香胺衍生物。重要的是:这不是迄今为止唯一的应用领域。研发团队能够拿出80多个这样的应用实例,未来的应用领域也有着很大的挖掘潜力。

     

    图2.催化器表面重新排列的示意图--氮分子围绕着的石墨结构碳载体表面的锈蚀。

     

    利用多种方法进行催化技术的分析

    对不同催化剂进行分析、对催化技术进行优化都有很多分析方法。除了使用TEM(扫描)透射电子显微以外,还使用了XPSX射线光电子能谱分析技术,EPR电子自旋共振技术以及NMR核磁共振频谱等技术方法。通过多种方法的的组合检验,科学家们能够清晰的知道催化剂的结构,并能够证明:热解后活性铁氧化物催化剂的分子会重新排列,有很薄的碳层包围着铁氧化物和氮原子。分子的这种特殊排列使得催化剂有着更加出色的催化效果。科学家们能够准确、清楚的证明这一点。图2表达的就是催化器表面重构的图像——氮分子围绕着的石墨结构碳载体表面的锈蚀。

     

    各组成成分的成本价格很低、稳定性很高

    工业用催化剂除了要有很高的选择性之外还要具备其他特性。比如使用过程中,要非常稳定、回收起来相对简单,以便被再次使用。这些特性在工业化的应用中有着重要的经济意义。因此,罗斯托克LIKAT研究所的科学家们对研发成功的催化器进行了相应的性能测试。铁氧化物催化剂得到了回收、并在新的多个循环中得到了利用。测试得出的稳定性结果令人吃惊的高。

    它多种应用的可能性、很高的催化效率和很高的化学稳定性,尤其是它组成成分的成本低廉在开发未来型的铁氧化物催化剂中都有着决定性的重要意义。利用这种催化技术,将来就可以经济的、环保的、节能的低成本的生产每年销售量高达数百万吨的芳香胺产品了。

    今天的研究结果表明:锈蚀已经不再是歌德时代令人厌恶的东西了,相反也是一种精美的化工产品,是一种非常有价值的东西了。

     

    铁氧化物催化剂

    基于铁氧化物的催化剂以其很长的使用寿命和丰富的应用性能而著称。这些性能和它的环保性、可持续发展性以及很低的毒性使得铁氧化物催化剂成为理想的流程工艺加速剂。出于这些原因,回收、再利用所使用的催化剂也显得非常重要了。而从异质催化反应中回收铁氧化物催化剂的方法完全不同于同质催化反应。

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