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微波法制备的SO_4~(2-)/ZrO_2系列固体酸催化剂及其在酯化反应中的应用研究

常婧婕  
【摘要】:目前,绿色化学已经成为化学工业的目标,固体酸催化剂克服了液体酸难以与体系分离、对设备腐蚀严重以及对环境造成污染等缺点,被广泛的应用于有机反应中,是很有应用前景的环境友好型绿色催化剂。 通常制备固体酸催化剂需要将其进行高温焙烧,这种方法产生的能耗很大,不利于实现“绿色化学”的目标。而微波加热技术是一种新型的加热技术,具有快速高效、节省能耗、环保和操作方便易于控制等优点,目前已广泛的应用于无机、有机、分析、环境、催化和材料化学等领域。 本文的出发点是将微波加热技术运用到SO_4~(2-) /MxOy型固体酸催化剂制备的过程中,以期制备出性能优越的催化剂。并通过添加稀土氧化物和分子筛对固体超强酸进行改性,通过若干表征技术对催化剂进行分析,同时将表征结果与催化的性能相关联,揭示表征结果与催化剂催化性能的关系,以此获得性能更佳的催化剂。 基于上述考虑,本文分别做了如下几方面的工作: 1.用微波加热的方法代替传统的高温焙烧方法,制备了单一的SO42- /ZrO_2型固体超强酸。XRD分析表明,微波法制备的催化剂ZrO_2四方晶相更加稳定完整,而ZrO_2四方晶相应是目标反应乳酸和正丁醇的酯化反应的活性相。并且将不同制备条件下的催化剂表征结果与催化活性进行了关联。催化剂重复使用良好。 2.制备了添加稀土改性的SO_4~(2-) / ZrO_2-Nd_2O_3固体酸催化剂。实验表明:稀土的引入,使ZrO_2亚稳态四方晶相在相同的温度区间内更加稳定,而且稀土氧化物的引入增加了催化剂表面的酸中心数,增强了催化剂的酸性。并考察了对乳酸和正丁醇的酯化反应的催化活性,实验表明,该固体酸比单组分的SO_4~(2-) /ZrO_2型固体超强酸具有更强的催化活性,且催化剂重复使用和稳定性良好。 3.制备了负载分子筛的SO_4~(2-) /ZrO_2-HZSM-5的复合型固体酸催化剂。由于HZSM-5分子筛本身也具有一定的酸性,而且其作为分子筛具有大量的孔结构,增加了SO_4~(2-)的配位吸附量,使得催化剂相比于单组份的SO42- /ZrO_2催化剂酸性有所提高,对乙酸正丁酯的酯化反应表现出良好的催化活性,且重复使用和稳定性良好。 4.通过红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)以及热分析(TG-DTA)等表征技术考察了固体超强酸催化剂晶型转变的过程,实现了催化剂晶型的微观可控调节,以此获得活性、稳定性更佳的催化剂。同时将这种晶型的变化与催化剂酯化反应的催化活性进行了关联。


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