膨胀石墨负载CuO_x催化剂的制备及其对分子氧氧化环己烯催化性能研究

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烯丙位氧化反应是一类十分重要的有机氧化反应,环己烯在烯丙位发生氧化可以生成2-环己烯-1-酮,2-环己烯-1-醇等重要的化工中间体。其传统生产工艺是采用铬酸氧化环己烯制取,存在产率低、分离困难,且污染严重等问题。分子氧易得廉价,对环境无污染,是氧化反应最理想的氧源,但由于分子氧的相对化学惰性,氧化效率低,因此,寻找高活性、高选择性的催化剂是实现环己烯选择性氧化制备环己烯酮的关键。本文从催化剂制备及环己烯氧化产物的合成方法出发,主要开展了以下几个方面的工作:(1)通过还原法制备了鳞片石墨(FG)负载CuOx催化剂(Cu/FG),考察其催化分子氧氧化环己烯性能。结果表明主要发生烯丙位氧化生成2-环己烯-1-酮和2-环己烯-1-醇。考察了反应条件对环己烯选择性氧化反应的影响:在溶剂乙腈中,以分子氧为氧化剂,H202为引发剂,在60℃反应12 h,其催化效果最佳。GC-MS检测显示反应转化率为45.8%,烯丙位氧化产物的总选择性可达90%以上,其中2-环己烯-1-酮的选择性可达49.7%。(2)FG经化学氧化处理,高温膨胀后,得到蠕虫状膨胀石墨(EG),制备了膨胀石墨负载纳米CuOx催化剂(Cu/EG),考察其催化分子氧氧化环己烯性能,结果显示Cu/EG的催化效果明显优于Cu/FG:在较温和的条件下可以有效的催化分子氧氧化环己烯反应,环己烯的转化率达到70%以上,2-环己烯-1-酮的选择性可达61.8%。通过SEM及其对应的EDAX、XRD、FT-IR、ICP和N2吸附脱附等方法对催化剂及其载体进行表征,结果表明,FG进行化学氧化高温膨胀处理,一方面增大了载体的比表面积,在EG表面形成了-OH,C=O和C-O-C等官能团;另一方面还引入了Fe和Mn,提供了多元催化活性中心,提高了其催化能力。(3)采用间歇式加料法,制备了具有十字针状特殊形貌的膨胀石墨负载纳米CuOx催化剂(Cu/EG),其化学组成与一次加料还原法制备的Cu/EG完全相同。但催化效果却有一定程度的提升:环己烯转化率达到90%以上,烯酮产物选择性并没有明显的上升。考察了催化剂负载量、溶剂、制备方法和反应时间等因素对反应的影响,优化了反应工艺。在最优条件下,环己烯的转化率达到98.2%,烯酮产物的选择性为62.1%。该类催化剂可以重复使用3次,催化效果没有明显下降。进一步探讨了铜催化剂在此体系中可能的反应机理。(4)通过改变强氧化剂KMnO4(?)插层剂FeCl3的用量,制备了三种不同类型的膨胀石墨:EG1、EG2和EG3。间歇式加料硼氢化钠还原法制备了铜负载量接近的三类催化剂:Cu/EG1, Cu/EG2和Cu/EG3。在相同的反应条件下催化分子氧氧化环己烯反应。结果表明, Cu/EG3表现出较好的催化效果:环己烯的转化率达到98.9%,烯酮产物的选择性达到71.3%。对Cu/EG3掺杂Bi, Co, Ni,对该类催化剂的催化效果有一定的影响。其中Bi掺杂的效果最好:环己烯的转化率达到100%,烯酮产物的选择性达到78.9%。此催化剂循环使用4次后催化性能仍然良好,反应的转化率和烯酮产物的选择性仍可达88.3%,73.2%。
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