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功能化MIL-101固体酸催化剂的合成及催化性能

作　者: 臧引娣
导　师: 张富民
学　校: 浙江师范大学
专　业: 物理化学
关键词: 金属有机骨架 MIL-101 杂多酸水解酯化
分类号: O643.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

以酯化和酯水解为代表的酸催化反应在化学工业生产过程中具有广泛的应用。用于上述酸催化反应的传统催化剂多以硫酸、氢氟酸等液体矿物酸为主,这类催化剂存在腐蚀设备严重,回收循环使用困难,易造成环境污染等问题。所以从环境保护的角度来看,以固体酸催化剂替代液体催化剂是发展的必然趋势。目前,以杂多酸和固体磺酸作为酸催化反应催化剂的报道已有很多,但是由于纯杂多酸在反应过程中易溶于反应体系而造成回收重复使用困难；负载型的杂多酸催化剂在使用过程中活性组分不可避免的发生溶脱,导致催化剂的重复使用性降低;已报道的负载型磺酸功能化催化剂在反应过程中同样也存在活性组分溶脱的问题。因此,发展真正实现对环境友好的可重复使用的非均相催化剂是一项具有挑战性工作。MOFs材料中的MIL-101由于拥有巨大的比表面积和孔体积,且水热和化学稳定性较高,因而近几年来备受关注。基于此,本硕士论文以MIL-101为载体来合成功能化的固体酸催化剂。具体研究分以下两个方面来展开：1)采用“围瓶建船”技术,在合成MIL-101的同时,将磷钨酸(HPW)加到合成MIL-101的母液中,在合成MIL-101的同时,直接制备出MIL-101包覆的HPW催化剂HPW@MIL-101,通过N2吸附,XRD,FT-IR,酸碱滴定,元素分析,31PMASNMR等技术对催化剂的组成和结构进行了系统表征,先在乙酸与正己醇酯化反应中考察了催化剂的催化活性和重复使用性能。结果表明,在酯化反应中HPW@MIL-101显示出高的活性和优良的可重用性。为了进一步考察HPW@MIL-101的耐水性,又在乙酸乙酯水解反应中进一步考察了催化剂活性及稳定性,该反应以过量的水作为溶剂。结果表明,HPW@MIL-101催化剂的活性组分HPW在水解反应过程中无积聚及溶脱失活的现象发生,且重复使用多次活性均保持不变。综合多种表征技术可以证实,催化剂HPW@MIL-101中磷钨酸是以客体分子形式限域到MIL-101的介孔笼中,呈高度分散状态,因而具有高催化活性及稳定性。2)分别采用一步直接合成和后嫁接改性法制备了磺酸功能化MIL-101催化剂,一步直接合成法是通过三氧化铬与含磺酸基团的有机配体反应获得。通过X射线衍射,N2吸附,酸碱滴定和FT-IR等手段对制备的催化剂进行了系统表征,在多种一元羧酸与一元醇的液相酯化反应中考察了催化剂性能。结果表明,一步合成法制备的磺酸功能化催化剂S-MIL-101的催化活性明显高于后嫁接改性法制备的S/MIL-101,这是由于S-MIL-101所含有比S/MIL-101更高的质子酸量且质子酸利用率较高的缘故。在加带水剂的情况下,S-MIL-101上酯的收率会更高。此外,S-MIL-101固体催化剂非常稳定,连续重复使用五次其催化活性均没有任何降低,而且很容易通过简单过滤的方式进行回收,预示其可作为潜在的多相催化剂在工业上使用。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-22
  1.1 杂多酸简介  10-14
    1.1.1 杂多酸的类型  10-11
    1.1.2 杂多酸的固载化  11-13
    1.1.3 杂多酸在酸催化反应中的应用  13-14
  1.2 磺酸功能化固体酸催化剂  14-15
  1.3 金属有机骨架材料  15-18
    1.3.1 MOFs材料的分类  15-17
    1.3.2 MOFs材料的特点  17
    1.3.3 MOFs材料的应用  17-18
  1.4 MIL系列材料在催化反应的应用  18-20
  1.5 课题研究内容及意义  20-22
    1.5.1 课题研究的主要内容  20-21
    1.5.2 课题研究的意义  21-22
第二章 MIL-101封装杂多酸催化剂在酸催化反应中的应用  22-38
  2.1 引言  22-24
  2.2 实验部分  24-28
    2.2.1 实验仪器与药品  24-25
    2.2.2 MIL-101包覆磷钨杂多酸催化剂的制备  25
    2.2.3 催化剂的表征  25-27
      2.2.3.1 X射线粉末衍射(XRD)  25-26
      2.2.3.2 比表面积和孔结构的测定  26
      2.2.3.3 红外光谱分析(FT-IR)  26
      2.2.3.4 热重分析(TG)  26
      2.2.3.5 ~(31)P核磁共振光谱表征(~(31)P NMR)  26
      2.2.3.6 元素分析  26-27
      2.2.3.7 酸碱滴定  27
    2.2.4 催化剂的催化活性评价  27-28
      2.2.4.1 乙酸乙酯的水解  27
      2.2.4.2 乙酸与正己醇酯化  27-28
  2.3 结果与讨论  28-35
    2.3.1 XRD表征  28-29
    2.3.2 物理性质  29-30
    2.3.3 FT-IR表征  30-31
    2.3.4 ~(31)P核磁共振光谱表征  31
    2.3.5 酸碱滴定  31-32
    2.3.6 乙酸乙酯的水解  32-33
    2.3.7 乙酸正己醇的酯化反应  33-35
  2.4 小结  35-38
第三章磺酸功能化MIL-101在酯化反应中的应用  38-52
  3.1 引言  38-39
  3.2 实验部分  39-42
    3.2.1 实验仪器与药品  39-40
    3.2.2 磺酸功能化MIL-101催化剂的制备  40-41
      3.2.2.1 一锅法合成磺酸功能化MIL-101催化剂  40
      3.2.2.2 后嫁接法合成磺酸功能化MIL-101催化剂  40-41
    3.2.3 磺酸功能化MIL-101催化剂的表征  41-42
      3.2.3.1 X射线粉末衍射表征(XRD)  41
      3.2.3.2 红外光谱分析(FT-IR)  41
      3.2.3.3 比表面积和孔结构的测定  41
      3.2.3.4 元素分析  41
      3.2.3.5 酸量的测定  41-42
    3.2.4 催化剂在酯化反应中的性能评价  42
  3.3 结果与讨论  42-50
    3.3.1 XRD表征  42-43
    3.3.2 各种物理性质的表征  43
    3.3.3 FT-IR表征  43-44
    3.3.4 催化剂的催化活性  44-47
    3.3.5 催化剂的重复使用性能  47-48
    3.3.6 催化剂反应前后的FT-IR表征  48
    3.3.7 催化剂反应前后的XRD表征  48-49
    3.3.8 不同一元羧酸与一元醇的酯化反应  49-50
  3.4 小结  50-52
第四章全文总结与展望  52-56
  4.1 全文总结  52-53
  4.2 课题展望  53-56
参考文献  56-70
攻读学位期间取得的研究成果  70-72
致谢  72-74

功能化MIL-101固体酸催化剂的合成及催化性能

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