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改性SO_4~（2-）/Fe_2O_3固体酸的制备及其催化性能研究

作　者: 朱志刚
导　师: 王博
学　校: 陕西师范大学
专　业: 物理化学
关键词: 固体超强酸 SO42-/Fe2O3 改性催化剂甲氧基化硝化
分类号: O643.32
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

SO₄^2-／M_xO_y型固体超强酸作为一种优良的绿色催化剂，因具有活性好、适用面广、易与产物进行分离、对反应器设备腐蚀小、对环境污染小以及可重复使用、符合绿色催化的要求等优点，成为当前催化领域的研究热点之一。目前国内外对固体超强酸的研究报道比较多。SO₄^2-／ZrO₂、SO₄^2-/SnO₂型固体超强酸因其较强的酸性，在催化有机合成反应中具有较高的活性而备受关注，而关于SO₄^2-／Fe₂O₃固体超强酸的改性及应用的报道相对较少。以铁氧化物为主要活性组分制备的固体超强酸催化剂具有制备工艺简单、催化活性较好，尤其是相对于钛、锆等其它金属氧化物所制备的固体超强酸催化剂具有价格低廉的突出优点，值得进一步进行工业化的研究。本实验制备了一系列改性SO₄^2-／Fe₂O₃固体酸催化剂，进而探索性的研究了该类催化剂在苯酚的烷氧基化和甲苯的硝化反应中的应用。对于该类固体酸催化剂的进一步开发应用具有一定的参考意义。本论文的研究主要包括以下两个方面：（1）改性催化剂在苯酚的甲氧基化反应中的研究通过陈化、过滤、洗涤、干燥、硫酸浸渍、焙烧等工艺制备了一组SO₄^2-/Fe₂O₃-MoO₃催化剂。利用红外吸收光谱（IR）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等对它们的酸中心结构、晶形、形貌、元素价态进行了表征，通过甲氧基化反应对催化剂的活性进行了研究。还利用紫外吸收光谱记录了反应时间，不同改性催化剂对反应程度的影响，分析结果与气质联用检测结果一致。实验结果表明，在室温条件下，借助电解的方法使用改性催化剂实现对苯酚的甲氧基化是可行的。改性SO₄^2-／Fe₂O₃的催化能力随着MoO₃用量的增加而有所增强，从催化剂的催化效果来看，改性催化剂取得了一定的效果，尤其当MoO₃占到16 mol％时，苯酚的转化率达到了70．5％，甲氧基化苯酚选择性达到了80％。但催化效率仍然低下，还需进一步改进催化剂和改善实验条件。另外，根据文献，还对苯酚甲氧基化产物形成的机理进行了推测。（2）改性催化剂在硝化反应中的研究同样按照上述方法及共沉淀法制备了几种不同金属氧化物改性的SO₄^2-/Fe₂O₃催化剂。对影响催化剂酸性的三个重要制备条件：浸渍液浓度，焙烧温度，及改性剂分别进行了红外光谱辅助分析，同时还对几个改性催化剂的吡啶吸附红外光谱做了进一步考察。另外，对改性剂对SO₄^2-/Fe₂O₃晶形的影响及改性后催化剂形貌等也分别进行了研究。反应时间、反应物摩尔比、不同改性剂及催化剂用量对硝化反应的影响采用紫外吸收光谱和气质联用仪进行了分析、印证，并得出了适宜的反应条件。实验结果表明，催化剂的制备条件宜为：H₂SO₄浸渍液的浓度为0．5 mol／L，焙烧温度为823 K。改性催化剂对产物的产率和对甲苯的对位选择性有不同程度提高。产物的产率与催化剂酸量有关，催化剂酸量越大，产率越高。采用共沉淀法制备的SO₄^2-／Fe₂O₃-PbO催化剂的酸量较其它催化剂大，但对甲苯的对位选择性较差；而SO₄^2-／Fe₂O₃-MoO₃催化剂在用量为甲苯的8 wt％，n甲苯／n硝醴=1：1．2，反应2h条件下，一硝基甲苯的产率达到83．2％，邻对比降低到1．24。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第1章引言  9-23
  1.1 课题的背景和研究意义  9-10
  1.2 SO_4~(2-)/M_xO_y固体超强酸的研究进展  10-19
    1.2.1 SO_4~(2-)/M_xO_y固体超强酸的结构及形成机理  10-12
    1.2.2 SO_4~(2-)/M_xO_y超强酸的常用制备方法  12-13
    1.2.3 SO_4~(2-)/M_xO_y超强酸的改进  13-17
    1.2.4 SO_4~(2-)/M_xO_y型超强酸的应用  17-19
  1.3 甲氧基苯酚和硝基甲苯的研究概述  19-22
    1.3.1 甲氧基苯酚研究概况  19-21
    1.3.2 硝基甲苯研究概况  21-22
  1.4 本实验研究目的及内容  22-23
第2章改性SO_4~(2-)/Fe_2O_3固体酸催化苯酚甲氧基化反应  23-37
  2.1 实验药品与仪器  23
  2.2 催化剂的制备  23
  2.3 实验装置  23-24
  2.4 反应过程  24
  2.5 实验结果与讨论  24-34
    2.5.1 催化剂红外光谱(IR)分析  24-26
    2.5.2 催化剂扫描电镜(SEM)分析  26-27
    2.5.3 催化剂X-射线衍射(XRD)分析  27-28
    2.5.4 催化剂X-射线光电子能谱(XPS)分析  28-30
    2.5.5 反应时间对催化反应的影响  30-31
    2.5.6 反应物摩尔比对催化反应的影响  31-32
    2.5.7 催化剂中Mo含量对催化反应的影响  32-33
    2.5.8 机理推测  33-34
  2.6 实验小结  34-37
第3章改性SO_4~(2-)/Fe_2O_3固体酸催化甲苯硝化反应  37-49
  3.1 实验药剂与仪器  37
  3.2 催化剂的制备  37-38
  3.3 实验装置及反应过程  38
  3.4 实验结果与讨论  38-48
    3.4.1 催化剂红外吸收光谱(IR)分析  38-41
    3.4.2 催化剂吸附吡啶红外吸收光谱分析  41
    3.4.3 催化剂扫描电镜(SEM)分析  41-42
    3.4.4 催化剂X-射线衍射(XRD)分析  42-44
    3.4.5 反应时间对硝化反应的影响  44-45
    3.4.6 反应物摩尔比对硝化反应的影响  45-46
    3.4.7 不同催化剂对硝化反应的影响  46-47
    3.4.8 催化剂用量对硝化反应的影响  47-48
  3.5 小结  48-49
第4章总结  49-51
参考文献  51-63
附录  63-65
致谢  65-67
攻读学位期间的研究成果  67

改性SO_4~（2-）/Fe_2O_3固体酸的制备及其催化性能研究

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