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《哈尔滨工业大学》 2010年
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多酸晶体的合成及其在制备乙二醇中的催化作用;多酸晶体的合成及其在制备乙二醇中的催化作用

赵志凤  
【摘要】: 新型多酸晶体的合成是化学领域的重要分支,多酸作为性能优异的催化剂,其活性高、反应条件温和、腐蚀性小、选择性好,是绿色环保型催化剂,已成为催化研究的热点之一。乙二醇是一种重要的化工原料,国内需求量大,且主要依靠进口。碳酸乙烯酯水解法制备乙二醇是最有工业前景的工艺之一,其水解主要包括两步反应,第一步反应为环氧乙烷和二氧化碳生成碳酸乙烯酯,在50年代已实现工业化,第二步反应为碳酸乙烯酯水解制备乙二醇,是目前研究的瓶颈,主要是催化剂的研制及选择。所以,选择多酸晶体作为催化剂,研究其催化碳酸乙烯酯水解制备乙二醇,具有重要的理论意义和应用前景。 采用水热法合成出8种结构新颖的钨酸盐和钼酸盐等多酸晶体,探索了合成条件,并通过红外光谱、光电子能谱、元素分析和X-射线单晶衍射等手段对多酸晶体结构进行了表征,确定其化学式为:[Ni_6(imi)_6(B-α-H_3AsW_9O_(33))_2]·2H_2O (HNU1); [Zn_6(imi)_6(B-α-H_3AsW_9O_(33))_2]·2H_2O (HNU2); [Mn_6(imi)_6(B-α-H_3AsW_9 O_(33))_2]·4H_2O(HNU3); Cu_4(phen)_4(HPO_4)_2(H_2O)_2(OH)_2][HPMo_(12)O_(40)]·H_2O(HNU4); [(CuO_6)(As_3O_3)_2Mo_6O_(18)][imi]_2 (HNU5); [Ni(bpy)_2(H_2O)_2]{[Ni(H_2O)_2][Ni_(0.5)(MoO_2) _6(OH)_3(PO_4)(HPO_4)_3[Ni(bpy)_2(H_2O)]_2][Ni_(0.5)(MoO_2)_6(OH)_3(PO_4)(H_2PO_4)_2(HPO_4)]}·14H_2O (HNU6); [{Cu(imi)_2}_3As_3Mo_3O_(15)]·H_2O (HNU7); [Hphen][NbOF_4]·H_2O (HNU8)。 晶体结构分析表明HNU1、HNU2和HNU3同构,均由钨酸盐阴离子[AsW_9O_(33)]~(12-)和[M_6(imi)_6]配合物形成夹心结构,[M_6(imi)_6]配合物通过氧桥构成正六边形(M = Ni, Zn and Mn)。HNU4和HNU6的晶体结构由钼磷酸盐阴离子和过渡金属配合物以及水分子组成,HNU4结构中含有Keggin结构阴离子,HNU6结构中含有还原态钼磷酸盐结构单元。HNU5是由Anderson阴离子衍生而来的钼酸盐晶体。HNU7的基本结构单元含有一个钼砷酸盐阴离子[As_3Mo_3O_(15)]~(3-)和三个[Cu~I(imi)_2]配合物, [As_3Mo_3O_(15)]~(3-)是多酸家族的新成员。HNU8的晶体结构是由铌酸盐阴离子、有机配体以及水分子组成的。8种多酸晶体的热稳定性研究表明,在200℃下,多酸晶体结构稳定,为催化研究提供了基础。 以蒸馏水为溶剂,碳酸乙烯酯水解制乙二醇为靶反应,将合成的多酸晶体作为催化剂,发现多酸晶体HNU1、HNU2、HNU3、HNU4和HNU8对碳酸乙烯酯水解没有催化活性,而多酸晶体HNU5、HNU6和HNU7对碳酸乙烯酯水解均有催化活性,且催化剂HNU5和HNU7具有较高的催化活性,表现出非均相催化特点。这两种催化剂的晶体结构都是由钼砷酸盐多阴离子和铜-咪唑配合物组成。对催化剂HNU5和HNU7催化碳酸乙烯酯水解的反应温度、反应时间、催化剂用量和水/酯摩尔比等影响因素进行了研究,优化工艺条件分别为: 催化剂HNU5:碳酸乙烯酯1.2g,反应温度95℃,反应时间8h,催化剂用量0.04g,蒸馏水1.8 ml,碳酸乙烯酯的转化率为90.06%。 催化剂HNU7:碳酸乙烯酯2.0g,反应温度95℃,反应时间4h,催化剂用量0.04g,蒸馏水2.0ml,碳酸乙烯酯的转化率为90.36%。 对HNU5和HNU7催化碳酸乙烯酯水解的动力学进行了初步考察,两个催化体系的反应活化能分别为74.70kJ·mol~(-1)和47.87kJ·mol~(-1),说明HNU7对于碳酸乙烯酯水解的催化活性比HNU5的催化活性要高,与实验结果相符。 多酸晶体催化制备乙二醇反应条件温和、可控,同时具有较高的转化率与选择性,生产能耗低, CO_2可回收重复使用,绿色环保,具有很大的工业应用前景,为中试放大研究和工业应用奠定了基础。
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