磁性纳米固体碱催化剂的结构设计与性能研究

【摘要】：为了实现纳米固体碱催化剂的简单、高效回收再利用,本论文设计并制备出新型的包覆结构磁性纳米固体碱催化剂。其核心为:合成具有磁性的镁铁尖晶石(MgFe2O4),以之作为磁核,为催化剂提供磁性;在磁核的表层包覆镁铝复合氧化物(MgAl(O))或羟基型镁铝水滑石(MgAl-OH-LDH)使催化剂具有碱性活性中心,同时保持一定的磁性,这种结构使催化剂在外加磁场的作用下能够实现高效的富集回收和再次分散使用。论文对镁铁尖晶石的制备、结构、粒度分布和磁性等性质;磁性前体MgAl-CO3-LDH/MgFe2O4的优化合成;磁性纳米固体碱催化剂MgAl(O)/MgFe2O4和MgAl-OH-LDH/MgFe2O4的结构、粒度分布、磁性、和碱性等性质以及催化性能,通过多种表征手段进行了全面、深入的研究。 (1)采用本室独创的成核晶化/隔离法成功制备出了粒径分布窄,具有较高比饱合磁化强度的纳米级MgFe2O4粉体。 (2)以所合成的镁铁尖晶石为磁核,分别采用成核/晶化隔离法、单滴法和尿素法制备磁性催化剂前体MgAl-CO3-LDH/MgFe2O4。XRD、TEM和分散剥离试验结果表明,磁核加入成核体系的成核/晶化隔离法为最佳方法。 (3)将上述磁性催化剂前体经过适当温度焙烧,得到磁性纳米固体碱催化剂MgAl(O)/MgFe2O4。XRD及XPS结果表明,其结构为MgFe2O4位于催化剂颗粒内部,MgAl(O)位于催化剂颗粒表层的内外双层结构,两相之间形成了Mg-O-Fe和Al-O-Fe化学键;激光粒度分布、CO2-TPD、BET以及VSM 测定结果表明,MgAl(O)/MgFe2O4的颗粒尺寸均匀,为纳米级;具有很大的比表面积和较MgAl(O)多的弱碱性位;催化剂的磁性随着表层MgAl(O)包覆量的减少而增强;碱性随着表层MgAl(O)包覆量的增加而增强;磁核MgFe2O4不仅使催化剂具有磁性,而且起到增加分散性,增大比表面积的作用。用作油脂酯交换反应的催化剂,具有较高的催化活性。 WP=6 (4)磁性催化剂前体经过适当温度焙烧再复原,得到磁性纳米固体碱催化剂MgAl-OH-LDH/MgFe2O4。XRD及XPS结果表明,其结构为MgAl-OH-LDH包覆于磁核MgFe2O4上的双层结构,两相之间形成了Fe-O-Mg和Fe-O-Al化学键。激光粒度分布、BET以及VSM 测定结果表明,MgAl-OH-LDH/MgFe2O4的颗粒尺寸均匀,为纳米级;具有较大的比表面积和比较发达的介孔结构,孔径主要分布在2-20nm。分散剥离试验结果表明,水合复原过程使表层活性物质与磁核的结合程度显著增强,与磁性催化剂前体及磁性催化剂MgAl(O)/MgFe2O4相比,包覆结构的稳定性得以很大程度提高。在丙酮缩合反应中显示了很高的催化活性和选择性,双丙酮醇(DAA)的转化率几乎达到平衡转化率(23%);催化剂通过外加磁场回收以后,质量回收率达到84%,二次使用的DAA转化率仍接近平衡转化率,催化活性几乎没有损失。