Ti-MWW钛硅分子筛的后处理改性、表征及催化性能

论文摘要

本论文以新一代钛硅分子筛Ti-MWW的后处理改性及催化性能为主线,研究提高Ti-MWW催化活性的新方法,及其液相催化氧化烯烃化合物的催化性能,尤其探索Ti-MWW应用到生产环氧氯丙烷这类大宗化学品的反应过程的可能性。第一部分基于MWW分子筛层状前驱体晶体结构具有可塑性的特点,采用有机硅试剂与Ti-MWW分子筛前驱体在高温下作用,有机硅烷进入层间,与层间的自由硅羟基发生反应,经过高温焙烧,MWW分子筛前驱体层间脱水缩合被人为阻止,得到了层间为12元环的大孔道分子筛IEZ-Ti-MWW。详细考察了不同Si/Ti比的Ti-MWW层状前驱体、硅烷化试剂用量、硝酸浓度、硅烷化试剂类型等因素的影响。这种大孔道分子筛既保持了MWW分子筛的基本结构单元,又兼备了反应物易接近的大反应空间结构特点,因此,不论对环状烯烃还是对直链烯烃,都显示出良好的催化性能,尤其对大分子反应物环己烯的环氧化反应表现出很高的转化数（TON）。第二部分,为了提高Ti-MWW的疏水性和催化活性,用胺溶液对具有三维（3D）结构的MWW分子筛进行了后处理改性。当采用哌啶（PI）或者六亚甲基亚胺（HMI）的胺溶液在一定温度下二次晶化的过程中,3D结构材料转向了二维（2D）层状结构,进一步焙烧又将2D层状结构可逆转化到3D晶体结构,而且这种可逆结构转换仅发生在PI或者HMI存在的情况下,而若换成其他胺溶液即使是结构相似的嘧啶或者哌嗪都无法实现。当PI/SiO2的摩尔比小于0.1在443K条件下处理一天时,就能将3D结构转向2D层状结构,并且不受母体Si/Ti比的影响。这种结构转化没有改变活性Ti物种的量以及配位状态,但是骨架内部的硅羟基却消除了大约40%,形成了缺陷位少,结构更加“刚性”以及疏水性能良好的Ti-MWW分子筛。在酮类的肟化以及各类不同分子尺寸大小的烯烃环氧化反应中,结构重排的Ti-MWW分子筛都表现出比3D Ti-MWW更优异的催化性能。第三部分,通过一种简单的后处理方法制备出含各种杂原子的类似于MCM-56结构的分子筛。酸处理回流MWW层状前驱体形成传统的3D结构材料,但当控制一定的酸处理条件即酸处理温度低于353 K时,就形成了MCM-56,并RMCM-56的形成依赖于层状前驱体的晶粒大小,晶粒小有利于前驱体转换形成MCM-56。且MCM-56的形成与前驱体骨架中金属离子类型（包括B,Al,Ti,Ga或者Fe）及其含量无关。与3D Ti-MWW相比,含钛MCM-56具有更大的外表面,因此在各类不同分子大小的烯烃以叔丁基过氧化氢为氧化剂的环氧化反应中以及具有更大分子尺寸的脱除轻油中二苯并噻吩的氧化反应中,Ti-MCM-56都表现出优异的催化活性。最后,我们考察了Ti-MWW分子筛在氯丙烯以双氧水为氧化剂环氧化制备环氧氯丙烷过程中的催化活性,并与典型的钛硅分子筛TS-1、Ti-MOR和Ti-Beta进行了比较。采用Ti-MWW分子筛/H2O2/乙腈催化体系,通过对环氧氯丙烷合成工艺条件的考察及优化,氯丙烯、双氧水的转化率以及环氧氯丙烷的选择性都能达到99%以上。Ti-MWW的最好溶剂为乙腈或者丙酮,从而有效的抑制了溶剂化开环反应副产物的形成。而最主要副产物之一的3-氯-1,2-丙二醇对Ti-MWW和TS-1的重复使用性能有负面影响,新型的二次合成方法引起了结构的重排,从而提高了Ti-MWW催化剂的稳定性和使用寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1 含钛分子筛的研究进展
• 1.1 含钛分子筛的合成
• 1.1.1 TS-1和TS-2分子筛的合成
• 1.1.2 其他含钛分子筛的合成
• 1.2 含钛分子筛的表征
• 1.3 含钛分子筛催化环氧化机理
• 1.4 含钛分子筛的催化应用
• 2 Ti-MWW分子筛的研究进展
• 2.1 MWW分子筛结构特性
• 2.2 Ti-MWW分子筛的合成
• 2.3 Ti-MWW分子筛的表征
• 2.4 Ti-MWW分子筛在催化反应中的应用
• 3 机遇和挑战
• 4 本论文的思路
• 参考文献
• 第二章 实验方法
• 1 试剂与药品
• 2 催化剂制备
• 3 催化剂表征
• 4 催化剂评价
• 参考文献
• 第三章 后处理法合成新型大孔钛硅分子筛IEZ-Ti-MWW
• 1 前言
• 2 实验部分
• 3 结果与讨论
• 3.1 IEZ-Ti-MWW的合成构想
• 3.2 IEZ-Ti-MWW的合成条件的考察
• 3.2.1 不同Si/Ti比的层状前驱体的影响
• 3.2.2 硅烷化试剂用量影响
• 3.2.3 硝酸浓度的影响
• 3.2.4 硅烷化试剂类型的影响
• 3.3 IEZ-Ti-MWW的物化表征
• 3.3.1 UV-Vis光谱图
• 3.3.2 SEM
• 13C MAS NMR'>3.3.3¹³C MAS NMR
• 29Si MAS NMR'>3.3.4²⁹Si MAS NMR
• 3.3.5 TEM
• 3.4 IEZ-Ti-MWW的催化性能
• 4 结论
• 参考文献
• 第四章 高活性强疏水性Re-Ti-MWW的合成、表征及催化
• 1 前言
• 2 实验部分
• 3 结果与讨论
• 3.1 Ti-MWW分子筛的后处理改性
• 3.1.1 有机胺类型的影响
• 3.1.2 哌啶用量的影响
• 3.1.3 后处理时间的影响
• 3.1.4 Si/Ti比的影响
• 3.2 Re-Ti-MWW的表征
• 3.2.1 ICP
• 3.2.2 UV
• 2 adsorption-desorption'>3.2.3 N₂adsorption-desorption
• 3.2.4 IR
• 29Si MAS NMR'>3.2.5²⁹Si MAS NMR
• 3.2.6 TG
• 2O吸附'>3.2.7 H₂O吸附
• 3.3 结构可逆转化形成Re-Ti-MWW的可能机理
• 3.4 Re-Ti-MWW的催化性能
• 3.4.1 酮类的肟化反应
• 3.4.2 烯烃的环氧化
• 4 结论
• 参考文献
• 第五章 后处理转化法合成Ti-MCM-56
• 1 前言
• 2 实验部分
• 3 结果与讨论
• 3.1 Ti-MCM-56的后处理合成
• 3.1.1 不同Si/Ti比的影响
• 3.1.2 温度的影响
• 3.1.3 时间的影响
• 3.1.4 不同模板剂合成的Ti-MWW层状前驱体
• 3.1.5 氟化物法合成的Ti-MWW层状前驱体
• 3.1.6 含不同杂原子的MWW层状前驱体
• 3.2 Ti-MCM-56的可能形成机理
• 3.3 Ti-MCM-56的表征
• 3.3.1 UV
• 2 adsoprtion'>3.3.2 N₂adsoprtion
• 3.3.3 IR
• 3.4 Ti-MCM-56的催化性能
• 3.4.1 各类烯烃的环氧化
• 3.4.2 二苯并噻吩的氧化脱硫
• 4 结论
• 参考文献
• 第六章 Ti-MWW催化氧化氯丙烯高效合成环氧氯丙烷
• 1 前言
• 2 实验部分
• 3 结果与讨论
• 3.1 各种钛硅分子筛的表征
• 3.2 不同钛硅分子筛对氯丙烯环氧化反应的影响
• 3.3 Ti-MWW催化氯丙烯环氧化过程反应参数的考察
• 3.3.1 溶剂对氯丙烯环氧化反应的影响
• 3.3.2 反应时间对氯丙烯环氧化反应的影响
• 3.3.3 反应温度的影响
• 3.3.4 钛含量的影响
• 3.3.5 催化剂用量的影响
• 3.3.6 过氧化氢和氯丙烯配比对氯丙烯环氧化反应的影响
• 3.4 Ti-MWW的稳定性和循环使用
• 3.5 影响Ti-MWW稳定性因素及再生方法的研究
• 3.5.1 失活因素的考察
• 3.5.2 二次合成
• 4 结论
• 参考文献
• 总结
• 学习期间发表论文
• 致谢