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层状钛铌酸及其对酯化反应的催化作用研究

作　者: 刘晓天
导　师: 何杰
学　校: 安徽理工大学
专　业: 工业催化
关键词: 层状H3Ti5NbO14 固体酸 TiO2柱撑 酯化反应
分类号: TQ426.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


目前醋酸正丁醇的酯化反应以硫酸作为催化剂,催化活性很高,但存在腐蚀设备,三废污染等缺点。而环境友好型层状固体酸,因其表面强酸性、选择性好、无污染等优点,是一类重要的酯化催化剂。本文采用高温固相法成功制备了具有明显层状结构的K3Ti5NbO14,经质子交换获得H3Ti5NbO14固体酸,通过柱撑的方法合成了TiO2-H3Ti5NbO14复合材料,经硫酸浸渍,获得超强酸材料SO42-/TiO2-H3Ti5NbO14。利用XRD、SEM、TEM、BET、TG-DTG、FT-IR、NH3-TPD等对催化剂的物相、形貌、结构及酸性特征进行表征。利用醋酸正丁醇酯化反应考察各催化剂的催化性能。研究结果表明：层状K3Ti5NbO14经质子交换后得到H3Ti5NbO14固体酸,因其离子半径r(H+)<r(K+),层板间距变小,BET比表面积减小近6倍,但仍保持完整的层状结构。经TiO2柱撑的TiO2-H3Ti5NbO14复合材料的层间距、比表面积及孔容都有所增大,但没有对主体层板的层状结构及骨架振动产生重大影响。经硫酸浸渍后的样品SO42-/TiO2-H3Ti5NbO14及其经500℃焙烧后的样品的结构特征发生明显变化,在高温热处理过程中,其层间吸附水及结晶水的脱除,使其主晶面(001)面明显向高角度移动,层间距变小,但同时又使其形貌变得蓬松,孔容和BET比表面积都明显增大。而且酸性特征研究发现,样品的酸强度及酸量顺序均为：SO42-/TiO2-H3Ti5NbO14-500℃>H3Ti5NbO14>>TiO2-H3Ti5NbO14。选择正丁醇/醋酸摩尔比、反应温度、反应时间、催化剂用量四种因素作为试验考察因素指标,同时对每个因素取三个水平进行正交设计,考察各催化剂对醋酸正丁醇酯化反应的催化活性。试验结果表明：H3Ti5NbO14、TiO2-H3Ti5NbO14及SO42-/TiO2-H3Ti5NbO14-500℃催化酯化反应的优方案有所不同。H3Ti5NbO14的酯化率可达到55.61%。而TiO2-H3Ti5NbO14因其较低的酸量、酸强度以及较大的比表面积,对醋酸正丁醇酯化反应起到促进逆反应的作用。但经硫酸浸渍后的样品对酯化反应的催化活性很好,在优方案下酯化率高达72.5%,这主要归功于其较高的酸量及酸强度。选用催化效率最高的SO42-/TiO2-H3Ti5NbO14-500℃作催化剂进行单因素优化试验,获得最适宜的反应条件。研究表明所制备的催化剂对醋酸正丁醇酯化反应有很高的活性,且酯化率与催化剂的酸量及酸强度密切相关。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-12
1 文献综述  12-20
  1.1 前言  12-13
  1.2 固体酸催化剂的分类及特点  13-16
    1.2.1 分子筛  14
    1.2.2 杂多酸  14-15
    1.2.3 离子交换树脂  15
    1.2.4 金属氧化物及复合氧化物  15-16
  1.3 层状铌基复合氧化物的结构、性能及应用  16-19
    1.3.1 层状铌基复合氧化物的结构  16
    1.3.2 层状铌基复合氧化物的性能  16-17
    1.3.3 层状铌基复合氧化物的应用  17-19
  1.4 课题的研究内容  19-20
    1.4.1 固体酸催化剂的制备  19
    1.4.2 固体酸催化剂的表征  19
    1.4.3 固体酸催化剂的催化性能研究  19-20
2 催化剂的制备与表征  20-24
  2.1 试剂与仪器  20-21
  2.2 催化剂的制备  21-22
    2.2.1 H_3Ti_5NbO_(14)的制备  21
    2.2.2 TiO_2-H_3Ti_5NbO_(14)的制备  21
    2.2.3 SO_4~(2-)/TiO_2-H_3Ti_5NbO_(14)的制备  21-22
  2.3 催化剂的表征  22-24
3 结果与讨论  24-38
  3.1 催化剂的物相结构  24-25
  3.2 催化剂的形貌特征  25-28
  3.3 催化剂的比表面积及孔径分析  28-32
  3.4 催化剂的热分析  32-34
  3.5 催化剂的红外特性  34-36
  3.6 催化剂的酸性特征  36-37
  3.7 本章小结  37-38
4 催化剂对醋酸正丁醇酯化反应的催化作用研究  38-51
  4.1 实验部分  38-39
    4.1.1 实验药品及仪器  38
    4.1.2 实验方法  38-39
  4.2 正交试验设计  39-40
  4.3 正交试验结果分析及验证试验  40-46
  4.4 三种催化剂催化醋酸正丁醇酯化优方案比较  46-47
  4.5 SO_4~(2-)/TiO_2-H_3Ti_5NbO_(14)催化醋酸正丁醇酯化的单因素优化试验  47-50
    4.5.1 反应时间对酯化率的影响  47
    4.5.2 反应温度对酯化率的影响  47-48
    4.5.3 醇酸摩尔比对酯化率的影响  48-49
    4.5.4 催化剂用量对酯化率的影响  49-50
  4.6 本章小结  50-51
结论  51-52
参考文献  52-57
致谢  57-58
作者简介及读研期间主要科研成果  58

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 试剂与纯化学品的生产 > 催化剂（触媒） > 金属催化剂
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