钴基氮硅掺杂炭复合材料的制备及其催化性能研究

发布时间：2020-08-22 20:13

【摘要】：在人类社会的发展过程中,化学工业占据着至关重要的地位,催化剂是化学工业的心脏,85%以上的工业过程需要使用催化剂。近年来,负载型催化材料,尤其是氮掺杂的炭材料在能源相关领域、精细化学品和大宗化学品领域得到广泛应用,如何进一步提高负载型催化剂在催化反应中的活性以及选择性成为解决环境问题和企业生产效率的关键。因此,设计开发新型的高效、高选择性以及廉价的炭负载催化材料具有重要的理论意义与实用价值。由于氮的引入可以改变整个催化材料的电子结构,增强金属与负载材料之间的结合作用,降低金属颗粒的纳米尺寸,并能有效防止金属物种在反应过程中发生团聚和变质,同时,增强整个复合催化材料在反应体系中的分散度,从而提高催化材料在催化反应中的催化活性。硅元素的引入,可以改变炭材料的微孔结构,增强其机械性能,有利于传质,最终提高炭材料的催化性能。本论文中,利用商业可得的炭材料作为碳源,廉价金属钴作为金属源,采用简单的方法将钴负载在氮硅改性的炭材料上,合成一系列的钴基氮硅掺杂的炭复合材料,并用于催化(杂)芳稠合2-烷基环胺与醛的脱氢偶联反应、硫酚和醇的氧化酯化反应以及对于含氮杂环化合物的加氢脱氢反应。具体内容如下:(1)我们以氮硅掺杂的炭材料(Vulcan XC-72R)作为载体,制备一种低负载量的钴纳米催化材料(Co/N-Si-C),并以此为催化剂,首次应用于催化(杂)芳稠合2-烷基环胺与醛的脱氢偶联反应,合成(E)-2-烯基氮杂芳烃。在反应过程中,有效的捕捉环胺部分脱氢的中间体是得到化学选择性产物的关键步骤。该方法底物适用性广,官能团耐受性好,原子经济性高,使用来源丰富和可循环的钴作为催化剂,使用氧气作为绿色氧化剂,为环胺直接转化为功能性骨架提供一种重要的方法。(2)我们通过制备一种钴纳米颗粒负载的氮,二氧化硅掺杂的活性炭材料,作为催化剂,在氧气和碳酸钾的存在下,首次用于硫酚的氧化酯化反应并对芳环,杂环硫酚和烷基硫醇与醇的氧化酯化表现出高效的催化活性。该方法能够有效地化学选择性单一地得到一系列亚磺酸酯和酯。并且反应条件温和,底物适用性广,操作简单,官能团耐受性好,使用来源丰富和可循环的钴作为催化剂,使用氧气作为绿色氧化剂,可再生的资源醇作为偶联试剂,为亚磺酸酯和酯的可持续合成提供一条实用的路线。(3)我们制备了一种钴基氮硅掺杂的碳纳米管催化材料,并以氨基硼烷作为氢源,对一系列含氮杂环化合物进行选择性还原,表现出高效的催化性能和良好的稳定性,其中催化活性物种为钴氮物种。此外,我们使用同样的催化材料,在温和的条件下,同时实现一系列不同取代基的1,2,3,4-四氢喹啉和氮杂环胺的脱氢反应。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TB33


本文编号：2801094