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杂原子磷酸铝分子筛及其低温催化烃类氧化反应的研究

田鹏  
【摘要】: 自上世纪八十年代,钛硅分子筛对有双氧水参与的烃类选择氧化反应表现出良好的催化活性以来,杂原子磷酸铝分子筛作为一类新型的催化材料引起了众多研究者的兴趣。对过渡金属在杂原子分子筛中存在状态的研究有助于更好的理解它们在催化反应中的行为。本论文制备了三类不同结构的杂原子磷酸铝分子筛MeAPO-5、MeAPO-11(Me=Co,Mn,Cr,V)和MeAPSO-34(Me=Co,Mn),并利用多种物理化学手段对它们进行了表征。同时针对烷烃选择氧化反应所具有的巨大经济潜力,将这三类分子筛用作烃类低温选择氧化反应的催化剂,探索分子筛结构和金属种类在烃类分子氧氧化反应中的性能和规律。 对杂原子磷酸铝分子筛的表征结果显示,钴和锰均能以同晶替代铝的形式进入分子筛骨架。它们在分子筛焙烧去除模板剂过程中价态不发生变化,均为+2价。焙烧使得钴和锰在分子筛中由四配位转变为四配位和三配位共存。对含铬和钒的AlPO-5和AlPO-11分子筛,焙烧过程将八面体Cr(Ⅲ)转变成四面体Cr(Ⅵ);V(Ⅳ)被氧化成四面体的V(Ⅴ)。 杂原子分子筛用于环己烷低温选择氧化反应结果表明,分子筛的晶粒尺寸和其中所含过渡金属种类对氧化反应活性和选择性具有重要影响,而分子筛结构变化对氧化反应不具明显影响。孔径较小的MeAPSO-34分子筛的催化氧化活性来自于外表面上过渡金属的催化作用。杂原子分子筛在反应过程中非常稳定,氧化反应是在真正的多相进行。反应机理研究揭示自由基机理在氧化反应中起主导作用。 不同分子结构的烷烃氧化反应结果表明,正辛烷中的C-C键相比于环己烷中C-C键,更容易断裂。甲基环己烷环内与叔碳相连的C-C键要比别的C-C键易于发生断裂。CoAPO.11上不同烷烃氧化反应的表观活化能具有如下顺序:甲基环己烷环己烷正辛烷。 对烷基芳烃的研究结果显示,分子筛催化剂中少量的中强酸性即可对氧化反应产生强烈阻止作用。芳环的存在可以增加与其相连的仲碳和叔碳的反应活性。另外,含铬催化剂上发生的所有烃类氧化反应产物中,相应的酮是反应的优势产物。


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