硫酸促进型固体酸超强酸表面微结构调控对其反应活性和稳定性的影响研究

来源 :南京林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangkaihao_2008
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硫酸促进型固体超强酸(SO42-/MxOy)是最具代表性的固体酸之一,与传统液体酸不同的是,SO42-/MxOy具有催化活性高,易分离回收和低腐蚀性等优点。然而,该类材料面向工业化应用时,仍然存在反应活性低与稳定性不佳等诸多问题,为此,学术界已经提出了多种固体酸改进策略,包括将各种过渡金属和贵金属如铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、铁(Fe)、锰(Mn)等引入SO42-/MxOy固体超强酸中进行改进,或向载体中引入(Ni O)、(Al2O3)、分子筛、稀土等制成多元复合载体,经硫酸化后显示出强酸性和优异的催化活性。这些工作的出发点是通过向固体超强酸中引入新组分以调节硫物种与载体间的相互作用,形成新的酸中心,进而提高固体超强酸的反应活性和稳定性。目前,改进固体超强酸反应活性和稳定性的方法仍然主要是沿袭了上述研究思路。不同与以往的研究思路,本文以硫酸促进型固体酸超强酸为研究对象,研究发现表面微结构调控可以有效的强化其反应活性和稳定性。通过调控二氧化钛表面原子的成键方式可以影响其原子的配位情况,经硫酸化后,有效的改进了固体超强酸的酸性,增加其催化活性。此外,通过调控二氧化钛负载硫酸根表面疏水情况,有效的增强其稳定性。此外,还将其拓展应用到合成二甲基硅油中。本文的具体研究内容及其结论如下:首先,采用介孔TiO2(B)晶须作为载体合成新型硫酸促进型固体超强酸(SO42-/Ti O2(B))。根据NH3-TPD,TG和Py-IR表征结果,发现Ti O2(B)和锐钛矿上的硫酸根含量相当,但是SO42-/Ti O2(B)表现出明显不同的酸性和催化性能;SO42-/Ti O2(B)总酸量约为SO42-/Ti O2的1.8倍,而且SO42-/TiO2(B)具有比SO42-/TiO2更高的Br(?)nsted酸摩尔百分比和更多的中强酸。与SO42-/Ti O2相比,这些酸性赋予SO42-/Ti O2(B)固体超强酸具有更高的酯化反应速率和相对较低的烷基化转化速率。构效关系分析表明,在SO42-/Ti O2(B)中,SO42-与Ti O2(B)配位的桥联双齿配位构型更多,与螯合双齿配位相比,桥联双齿配位可以诱导更多的Ti阳离子形成Br(?)nsted酸中心,这是造成SO42-/Ti O2(B)独特酸性的关键因素。其次,本文研究了在SO42-/TiO2上进行亲疏水性质调控策略,通过构建表面OTS疏水层,实现了具有增强耐水性的硫酸促进型固体超强酸(介孔SO42-/Ti O2)。在对SO42-/Ti O2催化性能抑制可忽略不计的情况下,可显著改善其耐水性。即使在直接浸入水中之后,疏水性SO42-/Ti O2仍可保持原始催化活性的90%以上,而原始SO42-/TiO2和对照样品几乎完全失活。另外,31P MAS NMR和Hammett结果充分证明疏水性十八烷基三氯硅烷(OTS)层的存在维持或甚至改善SO42-/Ti O2的超强酸性质。最后,将上述自制的SO42-/TiO2固体超强酸应用到由八甲基环四硅氧烷(D4)和六甲基二硅氧烷(MM)合成二甲基硅油的应用体系中。在合成二甲基硅油中,SO42-/Ti O2固体超强酸不仅具有很好的催化活性还具有极好的稳定性,经过7次循环活性下降不明显。然而,高粘度液体中存在固液分离困难这一致命缺点,针对这一问题,初步研究了成型催化剂的活性与回收性能。
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