杂化固体酸催化剂的形貌调控及其在生物质转化中的应用

发布时间：2018-03-18 08:12

  本文选题：固体酸　切入点：杂化催化剂　出处：《东北师范大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：为缓解世界范围内的能源短缺问题,转化廉价易得的生物质及其衍生物获得所需的燃料及有机化学品等这一高效且环境友好的过程是绿色化学研究领域的一个热点,其中,设计制备高效、稳定、易分离和可循环使用的新型固体酸催化剂是关键研究内容之一。当前,均相液体酸虽然可以实现生物质材料的高效转化,但其存在污染环境、腐蚀设备和不能回收循环使用等缺点;传统的固体酸催化剂虽可循环使用,但存在孔隙率差、形貌结构不理想、表面亲水、部分失活和热稳定性差等影响其催化性能的因素。针对以上问题,本文致力于制备新型具有独特形貌结构且表面疏水的杂化固体酸纳米催化剂,以三嵌段共聚物P123为结构导向剂,通过溶胶?凝胶共缩合的制备路径并调控制备条件,成功获得具有二维六方有序介孔结构、纳米管状和中空纳米球状结构的新型杂化固体酸催化剂,并将其应用于以生物质或生物质衍生平台化合物为原料的酯化、醇解及水解反应,系统评价了所制备的新型杂化固体酸催化剂的活性和循环使用性能,揭示了反应机理,具体研究内容如下。1.通过调节制备体系中的初始Si/Nb摩尔比,成功制备了有序介孔结构Keggin型杂多酸与桥联苯基片段共修饰的Nb_2O_5杂化催化剂(PW12/Nb_2O_5-Si(Ph)Si)。采用TEM、氮气吸附孔隙率、ICP-AES、吡啶吸附?原位红外光谱、31P MAS NMR和~(13)C CP-MAS NMR等表征手段对所制备催化剂的形貌、表面物理化学性质、活性组分H_3PW_(12)O_(40)的担载量、化学组成及结构进行了研究。以乙酰丙酸与甲醇的酯化反应作为模型反应,研究了反应物乙酰丙酸与甲醇的反应摩尔比和催化剂的结构有序度对乙酰丙酸甲酯产率的影响。另外,通过催化剂的循环催化实验,评价了其催化稳定性能。2.通过调节制备体系的酸度、胶束膨胀剂三甲苯(TMB)的加入量以及结合陈化或水热处理技术,成功制备了具有一维纳米管、二维六方介孔和三维中空纳米球形貌结构的丙磺酸或苯磺酸功能化有机硅杂化催化剂(Si(Et)Si-Pr/ArSO_3H)。利用TEM和氮气吸附孔隙率测定技术,确定了所制备催化剂的形貌和表面物理化学性质;利用ICP-OES法确定了催化剂的酸性位点密度和?SO_3H的担载量;利用31P MAS NMR和~(13)C CP-MAS NMR技术获得了催化剂的化学结构信息;利用TGA法研究了催化剂的热稳定性。以乙酰丙酸与甲醇的酯化和糠醇与乙醇的醇解合成乙酰丙酸酯的反应为模型,系统考察了催化剂的形貌、活性组分前驱体及活性组分担载量对Si(Et)Si-Pr/ArSO_3H催化活性的影响。此外,通过催化循环反应实验以及对循环使用后的杂化催化剂进行TEM和~(13)C CP-MAS NMR表征,评价了其催化稳定性能。3.通过调节制备体系的酸度和胶束膨胀剂TMB的浓度,成功制备了中空球状结构的苯磺酸功能化不同桥联烷基的有机硅杂化催化剂Si(R)Si-ArSO_3H(R=?Et?、?Ph?或?Ph?Ph?)。利用TEM和氮气吸附孔隙率技术测定确定了所制备催化剂的形貌和表面物理化学性质;利用电位滴定和ICP-OES法确定了催化剂的Br?nsted酸强度、酸性位点密度和?SO_3H的担载量;利用水蒸气吸附测定,评价了催化剂的表面亲疏水性;利用XPS、31P MAS NMR及~(13)C CP-MAS NMR技术获得了催化剂的化学组成及结构信息。以甘油与月桂酸酯化反应选择性生成月桂酸甘油单酯和二酯为模型,考察了反应物甘油与月桂酸的摩尔比、催化剂的形貌及桥联烷基的结构对Si(R)Si-ArSO_3H催化活性的影响。同时,对选择性生成月桂酸甘油单酯或二酯的最佳反应条件进行了探究。并且,提出了该催化剂催化模型反应的可能反应机理。另外,通过循环催化实验以及对循环使用后的杂化催化剂进行TEM和~(13)C CP-MAS NMR表征,评价了其催化稳定性能。4.通过调节表面活性剂(P123和F127)的种类与用量比,并调控制备体系中各反应物的浓度,成功制备了具有不同壳层厚度的苯磺酸功能化的乙基桥联有机硅中空纳米球杂化催化剂(ArSO_3H-Et-HNS)。利用TEM和氮气吸附孔隙率测定技术,确定了所制备催化剂的形貌和表面物理化学性质;利用电位滴定和ICP-OES法测定了催化剂的Br?nsted酸强度、酸性点密度以及?SO_3H的担载量;利用TGA法研究了催化剂的热稳定性;利用XPS、29Si MAS NMR及~(13)C CP-MAS NMR技术获得了催化剂的化学组成及结构信息。将ArSO_3H-Et-HNS催化剂应用于糠醇水解合成乙酰丙酸的反应中,考察了反应体系中溶剂的种类、溶剂与反应物水的体积比、反应物糠醇与水的体积比、反应温度以及催化剂的中空纳米球的壳层厚度对ArSO_3H-Et-HNS催化活性的影响。同时,提出了ArSO_3H-Et-HNS催化该反应的可能机理。最后,通过循环催化实验以及对循环使用后的催化剂进行~(13)C CP-MAS NMR表征,评价了其催化稳定性能。
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【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36

【参考文献】

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1 高鹏;李维俊;;绿色化学与可持续发展[J];北方环境;2011年09期

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本文编号：1628716