改性多金属氧酸盐的液相氧化体系的研究

论文摘要

多金属氧酸盐（多酸）作为氧化催化剂已被广泛应用于各种均相和非均相催化体系中。多酸非常重要的一个优点就是它的催化性能可以方便地通过改变反荷阳离子、杂原子和多原子来调节;另一优点是具有良好的热稳定性,可适用于300～350℃的催化反应环境。但多酸在实际应用中也存在着不可回避的问题:作为均相催化剂,其不易从体系中回收;作为非均相催化剂,其表面积比较低。解决上述问题对多酸的推广应用具有重要的意义。本文首先采用有机季铵盐修饰多酸得到了反应控制相转移磷钼酸盐催化剂Q3PMo4O16（Q=[C7H7N（CH3）3]+）。在氧化剂H2O2的作用下,不可溶的Q3PMo4O16可转变为可溶的催化活性中心Q3PMo4O24而进入反应溶液参与催化反应;当反应结束H2O2消耗完毕后,催化剂又恢复为Q3PMo4O16而从体系中沉淀出来。这样催化剂在反应过程中既表现出了均相催化的特点,而在反应结束后又可以像非均相催化剂那样方便地被回收。将此催化剂应用于醇类液相催化氧化反应中,发现其对芳香醇和脂肪族仲醇的催化活性高于脂肪族伯醇。当H2O2与苯甲醇的摩尔比为0.75时,苯甲醇基于H2O2的转化率可以达到92.8%,主产物苯甲醛的选择性大于99%,反应后催化剂的回收率为87.6%（wt%）,同时催化剂循环使用三次其催化活性无明显降低。制备了另一种反应控制相转移磷钨酸盐催化剂Q9PW9O34（Q=[C7H7N（CH3）3]+）。FF-IR和31P NMR的表征结果表明:这种催化剂在H2O2的作用下可降解为更小的可溶的活性物种[PW4O24]3-,当H2O2消耗掉时,活性物种又可转变为初始的不溶性的催化剂而从体系中沉淀出来。将催化剂应用于苯甲醇的液相氧化反应中,当H2O2与苯甲醇的摩尔比为0.9时,反应0.5h,苯甲醇基于H2O2的转化率不低于95.0%,苯甲醛的选择性都大于99%,同时催化剂循环使用三次其催化活性得到良好的保持。通过动力学实验,得到了Q3PMo4O16和Q9PW9O34催化氧化苯甲醇的反应速率方程分别为:dc/dt=k[BzOH][Q3PMo4][H2O2]和dc/dt=k[BzOH]0.5[Q9PW9]0.5[H2O2]0.5,两个催化体系的反应活化能分别为48.6kJ/mol和27.0kJ/mol。并建立了Q3PMo4O16催化体系的动力学数学模型。以季铵化的杂萘联苯基聚芳醚砜酮（QAPPESK）为载体,负载一系列杂多阴离子得到了非均相化的杂多酸催化剂。当反应物与H2O2的摩尔比为1:1时,在液相催化氧化苯甲醇的反应中,催化剂QAPPESK-PW9的活性最高,反应6h,苯甲醇的转化率为92.1%,苯甲醛的选择性为98.2%;而在环己烯的氧化反应中QAPPESK-PMo4是较合适的催化剂,反应4h,环己烯的转化率为95.7%,环氧环己烷的选择性为96.0%。对QAPPESK-PW9和QAPPESK-PMo4进行FT-IR、XRD和TG表征,分析结果显示:杂多阴离子均以分子水平均匀地分布在载体上,其在聚合物表面并未形成结晶相;聚合物载体和杂多阴离子的结构在反应后都得到了很好的保持。将QAPPESK-PW9和QAPPESK-PMo4分别循环使用五次,其催化活性无明显降低,催化剂均未发生明显的杂多阴离子溶脱现象。将交联聚苯乙烯D201作为负载[PW9O34]9-和[PMo4O24]3-的载体,通过FT-IR、UV、XRD、TG和EPMA的详细表征:发现杂多阴离子同样是以分子水平负载到载体上,并无明显的堆积现象;在反应中,载体和杂多阴离子都表现出了良好的稳定性,其结构在反应后并未发生变化。其中D201-PMo4在液相氧化环己烯的反应中表现出了较高的催化活性,反应6h,环己烯的转化率为89.5%,主产物的选择性为90.5%。将催化剂循环使用五次,其催化活性无明显降低。相对于D201,以QAPPESK为载体的催化剂在氧化苯甲醇的反应中表现出了更高的催化活性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 多酸概述
• 1.1.1 多酸的定义及发展
• 1.1.2 多酸的催化作用
• 1.2 多酸的催化氧化反应
• 1.2.1 液相氧化
• 1.2.2 气相氧化
• 1.3 多酸的非均相化
• 1.3.1 反应控制相转移催化体系
• 1.3.2 多酸的负载体系
• 1.3.3 聚合物负载多酸的研究
• 1.4 论文选题的意义及内容
• 参考文献
• 2 磷钼杂多蓝反应控制相转移催化氧化醇的研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 磷钼反应控制相转移催化剂的制备
• 2.1.3 催化剂的表征
• 2.1.4 催化氧化醇类活性的考察
• 2.1.5 产物分析
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 催化剂的FT-IR谱图
• 31P NMP谱图'>2.2.2 催化剂的³¹P NMP谱图
• 2.2.3 催化剂对醇的催化氧化活性
• 2.2.4 催化剂反荷阳离子对反应的影响
• 2.2.5 溶剂对反应的影响
• 2.2.6 过氧化氢的量对反应的影响
• 2.2.7 体系pH值对反应的影响
• 2.2.8 催化剂循环使用结果
• 2.2.9 催化反应过程的探索
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 3 Keggin型三缺位磷钨杂多酸反应控制相转移催化氧化苯甲醇
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 主要试剂及纯度
• 3.1.2 磷钨催化剂的制备
• 3.1.3 催化剂表征
• 3.1.4 催化剂的性能评价
• 3.1.5 产品分析
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 催化剂的红外表征
• 3.2.2 催化剂的液体核磁谱图
• 3.2.3 催化剂的热重分析
• 3.2.4 催化剂对苯甲醇的催化氧化活性
• 9PW₉催化体系的影响'>3.2.5 溶剂对Q₉PW₉催化体系的影响
• 3.2.6 氧化剂与反应物的投料比对反应的影响
• 3.2.7 催化剂循环使用结果
• 3.2.8 催化反应过程的探索
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 4 反应控制相转移催化氧化苯甲醇的动力学考察
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 实验步骤
• 4.1.3 产物的气相分析
• 4.2 结果与讨论
• 3PMo₄催化氧化苯甲醇的动力学研究'>4.2.1 Q₃PMo₄催化氧化苯甲醇的动力学研究
• 9PW₉催化氧化苯甲醇的动力学研究'>4.2.2 Q₉PW₉催化氧化苯甲醇的动力学研究
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 5 改性聚芳醚砜酮负载杂多酸催化剂在氧化反应中的应用
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验试剂
• 5.1.2 改性PPESK负载杂多酸催化剂的制备
• 5.1.3 催化剂表征
• 5.1.4 催化剂的氧化性能评价
• 5.1.5 氧化反应的产品分析
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 负载催化剂的红外表征
• 5.2.2 QAPPESK负载催化剂的XRD表征
• 5.2.3 QAPPESK负载催化剂的热重分析
• 5.2.4 负载催化剂的催化氧化活性考察
• 5.2.5 反应时间对催化氧化环己烯的影响
• 5.2.6 溶剂对催化氧化环己烯的影响
• 5.2.7 物料比对催化氧化环己烯的影响
• 5.2.8 负载催化剂循环使用结果
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 6 交联聚苯乙烯负载杂多酸催化剂在氧化反应中的应用
• 6.1 实验部分
• 6.1.1 实验试剂
• 6.1.2 D201负载杂多酸催化剂的制备
• 6.1.3 催化剂表征
• 6.1.4 催化剂的催化氧化活性考察
• 6.1.5 氧化反应的产品分析
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 D201负载催化剂的红外谱图
• 6.2.2 D201负载催化剂的UV-Vis光谱
• 6.2.3 D201负载催化剂的XRD表征
• 6.2.4 D201负载催化剂的TG分析
• 6.2.5 催化剂的EPMA图
• 6.2.6 D201负载催化剂的催化活性考察
• 6.2.7 D201负载催化剂循环使用结果
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 附录A 注释说明清单
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢