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在本研究中，ChemSCAN 用于研究硝基苯的加氢反应，Pd/C 催化剂负载量范围为 4.0 mg 至 9.3 mg。实验结果表明，加氢反应速率随着反应器中催化剂用量的增加而增加。该反应的总体积吸收不受反应器中催化剂量的影响，并且与理论值非常吻合。结果突出了 ChemSCAN 如何用于其他类似的催化研究。

目录

· 介绍

· 材料和方法

· 结果与讨论

· 结论

· 参考

介绍

ChemSCAN 是一个台式 、自动化的平行催化剂筛选反应器系统。它设计用于在高压下快速筛选反应和催化剂。八反应器变体支持从 16 毫升到 50 毫升的反应器。四反应器变体可支持直接搅拌和高达 500 毫升的反应器。独立控制的反应区有利于实验设计 (DoE) 研究，并在 BioXplorer 和 PolyBLOCK 8 等其他产品中发现。 通常使用不锈钢 (SS316) 或哈氏合金 (HC276) 反应器。ChemSCAN 的工作温度范围为 -40 ˚C（与合适的冷却器循环器一起使用时）至 250 ˚C，压力高达 200 bars。每个搅拌反应器都是独立控制和监控的，可以同时进行筛选测试，从而加快开发时间。

苯胺是一种初级芳香胺，常用于制造聚合物、橡胶、农业化学品、染料和颜料、药物和照相化学品 [1]。使用铜 (Cu)、钯 (Pd) 和铂 (Pt) 等贵金属催化剂对硝基苯进行加氢是重要的苯胺合成路线 [2]。钯负载催化剂是一类最重要的多相催化剂，广泛应用于加氢反应 [3]。催化剂载体通过充当催化活性中心来提高负载金属的效率 [4]。由于其较大的表面积和较低的固有化学活性，活性炭经常用作贵金属的载体 [5]。活化的 Pd/C 材料可用作硝基苯加氢的有效催化剂 [6]。
在本研究中，ChemSCAN 用于测量硝基苯加氢反应期间在 4.0 mg 至 9.3 mg 负载范围内的催化剂（活性炭负载钯，Pd/C）上氢气 (H 2 ) 的体积吸收。将每个反应器从 ChemSCAN 获得的测量体积吸收量与理论值进行比较。

材料和方法

对于此表征，在标准实验室条件下，在通风橱内使用 ChemSCAN。具有八个反应器区的 ChemSCAN 示意图 如图 1 所示。

本研究旨在研究在各种催化剂负载水平下，使用 1% 负载在活性炭上的钯（Sigma-Aldrich 代码：20,567-2）对硝基苯（Sigma-Aldrich 代码：N1,095-0）进行催化加氢。1-癸醇（Sigma-Aldrich 代码：15,058-4）因其低蒸气压、高沸点和与硝基苯的混溶性而被选为溶剂。

通过在 401.1 克 1-癸醇中混合 20.0 克硝基苯来制备 4.75 质量％硝基苯溶液。将所需量的样品溶液（硝基苯-癸醇）与所需量的催化剂（Pd/C）一起添加到每个反应器容器中。

表 1：每个反应器中使用的样品（硝基苯-癸醇）和催化剂（Pd/C）的量

表1 显示了样品的重量和添加到每个反应器中的催化剂的重量。所有这些反应均在 30°C 的恒温和 500 rpm 的恒定搅拌速度下进行。图 2显示了 16 mL 容器的 示意图。完整的实验程序在 附录 B中描述。

结果与讨论

图 3显示了在不同催化剂负载量（范围从 4.0 毫克到 9.3 毫克）下的氢化实验结果 。应该注意的是，无论使用多少催化剂，所有体积吸收值都在理论值的 4.4% 的最大变化范围内。这表明催化剂的量仅影响反应速率，而不影响最终反应或总体积吸收。

图 3： 在每个反应器中测量的体积吸收。

图 3 还表明，随着催化剂负载量的增加，氢化反应的速率增加。也就是说，9.3mg 的催化剂负载将导致最快的氢化过程，这是可以预期的。

表 2： 在每个反应器中测量的体积吸收。

表 2 显示了在每个反应器中测量的体积吸收。可以看出，不同反应器中的总体积吸收彼此相似，表明使用 ChemSCAN 获得的测量精度程度。测得的体积吸收平均值为 109.8 nmL，标准偏差 (σ) 为 2.8 nmL。考虑到每个反应器中大约有 0.20g 硝基苯，每个反应器的理论体积吸收量为 111.2 nmL（附录 A - 样品计算）。因此，使用 HP ChemSCAN 获得的平均测量体积吸收是理论值的 98.8%。

表 3： 测量的体积吸收和理论体积吸收之间的比较。

表 3 将每个反应器中测量的体积吸收与理论（标准化）体积吸收进行了比较。表 3 中的结果表明，在 #3 反应器中获得的测量体积吸收和理论体积吸收之间的最小差异为 0.6%。相比之下，反应器#7 与理论值的最大差异为 4.4%。

结论

本研究的目的是使用 ChemSCAN研究具有不同催化剂负载量的硝基苯的氢化反应。将不同量的催化剂（负载在活性炭上的钯）添加到八个反应器中的每一个中，并使用 ChemSCAN 测量体积吸收。这些实验表明，反应器内催化剂量的增加导致更快的氢气（H 2）吸收，这可能是由于更快的氢化反应。

此外，结果表明总氢体积吸收不受反应器内催化剂量的影响。相反，反应器内催化剂的量只会影响反应动力学。

使用 ChemSCAN 测量的体积吸收量与使用理想气体定律计算的理论吸收量之间的比较表明，ChemSCAN 可用于准确表征氢化反应。这是筛选催化剂时的重要信息，因为 ChemSCAN 可以轻松区分每组反应条件的性能。例如，通过在 DoE 研究中保持化学成分相同并改变反应参数来定义最佳反应条件。

(HEL ChemSCAN 自动高压催化剂筛选平台)

参考

1. Amini, B. 和 S. Lowenkron, 苯胺及其衍生物。Kirk-Othmer 化学技术百科全书，2000 年。

2. Boymans、EH、P. Witte 和 D. Vogt，使用负载型 Pt 纳米颗粒催化剂将硝基芳烃选择性氢化为 N-芳基羟胺的研究。催化科学与技术, 2015. 5(1): p. 176-183。

3. Mironenko、RM、OB Belskaya 和 VA Likholobov，在氢化反应中具有可控活性和选择性的 Pd/C 催化剂的合成方法。今日催化，2020 年。357：p.152-165。

4. Shinde, PS 等人，多孔二氧化硅作为催化剂载体的最新进展的简要概述。复合材料科学杂志，2021 年。5(3)：p.75.

5. Suh、DJ、TJ Park 和 SK Ihm，用于硝基芳烃液相加氢的碳负载钯催化剂的特性。工业与工程化学研究，1992. 31(8): p. 1849-1856 年。

6. Willocq, C. 等人，硝基苯在由分子羰基-膦钯簇制备的 Pd/C 催化剂上的氢化。分子催化杂志 A：化学，2012。365：p.172-180