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高稳定性、介孔固体酸碱催化剂的合成及其催化应用

陈昌磊  
【摘要】:介孔固体酸碱催化剂因为高比表面积、规则有序的介孔结构而成为一类极具应用前景的工业催化材料。但是目前所知的介孔固体酸普遍存在酸性弱、酸量低、结构稳定性差等问题。然而在工业催化过程中,常常需要强酸性位点,或者反应条件苛刻。所以合成兼具强酸性、稳定性以及高比表面积、规则孔道结构的介孔固体酸催化剂已成为亟待解决的问题。在本文第二章,我们成功合成“介孔陶瓷酸”材料。陶瓷酸也是一种固体酸,是一种能够耐住1000℃高温焙烧的固体酸。因为能够经受高温焙烧,所以陶瓷酸通常具有出色的稳定性。陶瓷酸的合成早有报道,但是传统陶瓷酸酸性弱、比表面积低。本章我们以厚壁、超大介孔二氧化硅(EP-FDU-12)作为骨架,将钨、锆二元金属氧化物前驱体涂覆到介孔孔道内,再通过挥发、焙烧,成功合成出介孔钨锆陶瓷酸材料(EP-WZrOx-T)。所得介孔钨锆陶瓷酸,不仅具有出色的热稳定性,还具有强酸性(L酸+B酸)、高比表面积和水热稳定性。在苯甲醇与苯甲醚的傅克反应中,EP-WZrOx-1000催化剂2h对苯甲醇的转化率达到58%。而通过溶胶-凝胶法制备的钨锆固体酸,经过1000℃焙烧后,则完全没有催化活性。各种表征和探针反应表明高比表面积的介孔Si02能够稳定钨锆二元金属氧化物活性中心,从而提高催化剂稳定性。在第三章,我们发现利用氨化水热处理的方法,同样可以提高钨锆固体酸稳定性。同样以苯甲醇与苯甲醚的傅克反应作为探针反应,该方法合成的催化剂(WZrOx-N-800)在F-C反应中的催化活性较传统催化剂(WZrOx-800)提高一倍。研究发现钨锆氧化物前驱体能够在氨水水热条件下发生溶解-重结晶过程。重结晶过程中形成四方相二氧化锆,钨原子高度分散其中。然后在焙烧过程中,因为已经形成四方相二氧化锆晶体,W原子在晶体中难以聚集和烧结,所以氨化水热处理后,催化剂热稳定性增加。上文研究表明,介孔结构的限制作用和氨化处理都能够抑制焙烧过程中氧化物晶型转变和烧结,从而稳定催化活性位点,所以我们结合两种方法试图进一步控制氧化物晶型转变。首先将氧化物前驱体负载到介孔二氧化硅孔道内,再经过氨处理,所得材料置于一定温度下焙烧以考察其结晶行为。如:市售纯Nb205的结晶温度约在400℃。我们合成所得介孔Nb205材料结晶温度上升到650℃。该方法可推广至其他介孔金属氧化物的合成;如介孔氧化铁,介孔氧化锆。本文第四章,我们成功合成其他类型介孔陶瓷酸的合成中。首先,我们将Al元素和Zr元素引入到介孔二氧化硅中,合成单一组成介孔陶瓷酸EP-AlSiOx-T, EP-ZrSiOx-T。以溶胶凝胶法合成的非介孔固体酸AlSiOx-T,ZrSiOx-T作为对照,我们合成的介孔陶瓷酸稳定性有明显提高。以苯甲醇与苯甲醚的F-C反应为例,当焙烧温度为800℃时,非介孔固体酸完全丧失催化活性,而介孔陶瓷酸4h内能将苯甲醇完全转化。我们又将W元素或者Mo元素分别加入到EP-AlSiOx-T, EP-ZrSiOx-T中,从而形成多组成的介孔陶瓷酸(EP-WAlOx-T, EP-MoAlOx-T, EP-MoZrOx-T).溶胶-凝胶方法合成的非介孔固体酸WAlOx-1000, MoAlOx-1000, MoZrOx-1000在苯甲醇与苯甲醚的F-C反应中没有催化活性,而介孔陶瓷酸材料在该反应中仍然具有相当催化活性。比如:当以EP-MoZrOx-1000 (0.1 g)为催化剂,反应温度为120℃时,4h内,苯甲醇(0.54ml)转化率达到100%。因为在生物质转化反应中,反应物分子尺寸大、含氧量高、难以分解,所以应用于生物质转换反应的催化必须具备水热稳定性好、孔径大、酸性强等优点。我们合成的介孔陶瓷酸材料兼具这些特性,所以我们与华东理工大学王艳芹教授课题组合作,将这些催化剂用于葡萄糖制备羟甲基糠醛(HMF)反应。研究发现EP-AlSiOx-T催化剂表现出优异的催化活性,160℃,1h葡萄糖转化率达到75%,HMF的选择性达到70%。在本文的最后一章。我们将高稳定性固体酸的合成方法运用于高稳定性介孔固体碱的合成中。同样以介孔二氧化硅(EP-FDU-12)为骨架,将钨酸钠溶液和硝酸锰溶液引入介孔孔道,经过挥发、焙烧形成介孔固体碱Na2W04-Mn/FDU。 Na2WO4-Mn/FDU固体碱是优异的甲烷氧化偶联反应(OCM)催化剂。传统Na2WO4-Mn/SiO2催化剂比表面积不足10 m2/g,而介孔固体碱Na2WO4-Mn/FDU材料比表面积高达50 m2/g。在OCM反应中,当反应温度为750℃或者800℃时,与传统二氧化硅载体(硅胶200目-300目)相比,Na2WO4-Mn/FDU固体碱的C2+产率增加五个百分点。


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