碳基固体酸催化剂制备及其在合成对氨基苯酚中的应用

论文摘要

在能源和环境问题逐步加剧的今天，高效、环保的催化剂成为绿色化工追求的目标。本文研究了一种廉价、高效的碳基固体酸催化剂，用以解决使用液体酸催化剂带来的腐蚀设备、污染环境、产品分离提纯困难等问题。本文以葡萄糖为碳化原料、浓硫酸为磺化试剂，制备了一种碳基固体酸催化剂。采用IR、XRD、13C MAS NMR、元素分析和酸碱滴定等方法对碳基固体酸催化剂进行了表征。结果表明，所制备的碳基固体酸催化剂是一种连有-SO3H的多芳香稠环的无定型碳结构，催化剂中所含的S元素基本全都以-SO3H的形式存在，碳基固体酸的最大酸密度为2.8mmol/g。进一步优化了碳基固体酸的制备条件，研究发现，碳基固体酸适宜的制备条件是：碳化温度350℃、碳化时间15 h、磺化温度150℃、磺化时间15 h、硫酸用量为100 mL/（g碳材料）。将碳基固体酸催化剂代替液体酸硫酸用于硝基苯催化加氢合成对氨基苯酚（PAP）反应中，建立了由碳基固体酸和Pt/SiO2构成物理混合的微米尺度催化体系。重点考察了碳基固体酸用量和工艺条件对PAP收率的影响，确定了适宜的操作条件：碳基固体酸用量为1.0g、反应温度为115℃、反应时间为4 h、氢气分压为0.4 MPa。此时，硝基苯的转化率为76.2%、PAP选择性为54.4%。将金属Pt负载在碳基固体酸催化剂上，制备了新型纳米尺度的金属/碳基固体酸双功能多相催化剂，并采用XRD、IR、ICP及酸碱滴定等方法对双功能催化剂进行了表征。将制备的金属/碳基固体酸双功能多相催化剂用于硝基苯催化加氢合成PAP反应中，考察其催化性能。结果表明：当反应温度为115℃、反应时间为4 h、氢气分压0.4 MPa，双功能催化剂用量为1.0 g时，PAP收率为22.4%。进一步考察了双功能催化剂的稳定性，结果发现，使用三次后，硝基苯的转化率和PAP的选择性均有所下降。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 引言
• §1-2 对氨基苯酚概况
• 1-2-1 对氨基苯酚的应用
• 1-2-2 对氨基苯酚的产需现状
• 1-2-3 对氨基苯酚生产工艺简介
• §1-3 硝基苯催化加氢法合成对氨基苯酚的研究进展
• 1-3-1 硝基苯催化加氢法合成PAP 的反应机理
• 1-3-2 硝基苯催化加氢合成PAP 的研究现状
• §1-4 碳基固体酸的概况及研究进展
• 1-4-1 碳基固体酸简介
• 1-4-2 碳基固体酸的研究进展
• §1-5 本论文的研究内容和创新点
• 1-5-1 本论文的主要研究内容
• 1-5-2 本论文的创新点
• 第二章 实验部分
• §2-1 试剂和仪器
• 2-1-1 化学试剂
• 2-1-2 实验仪器
• 2-1-3 实验装置
• §2-2 催化剂的制备
• 2-2-1 糖类高温碳化法制备碳基固体酸
• 2-2-2 糖类水热合成法制备碳基固体酸
• 2 的制备'>2-2-3 加氢催化剂Pt/SiO₂的制备
• 2-2-4 Pt/碳基固体酸双功能催化剂的制备
• §2-3 催化剂表征方法
• 2-3-1 红外光谱（lR）
• 13C 魔角旋转固体核磁(¹³C MAS NMR)'>2-3-2¹³C 魔角旋转固体核磁(¹³C MAS NMR)
• 2-3-3 酸碱滴定
• 2-3-4 X-射线衍射（XRD）
• 2-3-5 扫描电镜（SEM）
• 2-3-6 元素分析
• 2-3-7 比表面积与孔隙度分析
• 2-3-8 电感耦合等离子光谱发生仪（ICP）
• §2-4 催化剂活性评价
• 2-4-1 催化剂活性评价
• 2-4-2 产物分析及计算方法
• 第三章 碳基固体酸的制备及表征
• §3-1 前言
• §3-2 碳基固体酸催化剂的表征
• §3-3 高温碳化法制备碳基固体酸
• 3-3-1 碳化温度对碳基固体酸密度的影响
• 3-3-2 碳化时间对催化剂酸密度的影响
• 3-3-3 磺化温度对催化剂酸密度的影响
• 3-3-4 磺化时间对催化剂酸密度的影响
• 3-3-5 硫酸用量对催化剂酸密度的影响
• 3-3-6 硫酸浓度对催化剂酸密度的影响
• 3-3-7 不同碳材料对催化剂酸密度的影响
• §3-4 水热合成法制备碳基固体酸
• §3-5 小结
• 第四章 碳基固体酸代替液体酸催化合成对氨基苯酚
• §4-1 引言
• §4-2 Pt 负载量对合成PAP 反应性能的影响
• §4-3 碳基固体酸对催化合成PAP 反应性能的影响
• 4-3-1 催化剂用量对反应性能的影响
• 4-3-2 反应温度对反应性能的影响
• 4-3-3 反应时间对反应性能的影响
• 4-3-4 氢气分压对反应性能的影响
• 4-3-5 催化剂稳定性的考察
• §4-4 小结
• 第五章 Pt/碳基固体酸双功能催化剂上硝基苯催化加氢合成对氨基苯酚
• §5-1 前言
• §5-2 Pt/碳基固体酸双功能催化剂的制备与表征
• §5-3 Pt/碳基固体酸双功能催化剂的反应性能
• 5-3-1 Pt 负载量对双功能催化剂合成PAP 的影响
• 5-3-2 双功能催化剂用量对合成PAP 反应性能的影响
• 5-3-3 双功能催化剂稳定性的考察
• §5-4 小结及展望
• 5-4-1 小结
• 5-4-2 展望
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果