Pd/Ag、Cu/Au、Cu纳米催化剂选择催化氧化1,2-丙二醇研究

摘要

日益紧迫的能源危机大大推动了生物质能源的发展，生物柴油生产过程中副产物甘油可作为原料通过多种工艺路线合成不同的高附加值化学品，如1,2-丙二醇，丙烯醛，三酰甘油和甘油酸等。甘油氢解合成1,2-丙二醇的收率高于90%，另外，碳酸二甲酯生产过程中也副产大量1,2-丙二醇。国内1,2-丙二醇的利用未能很好开发，其仅作为涂料溶剂使用。含有两个高活性羟基官能团的1,2-丙二醇未能发挥其潜在作用。利用可再生、低成本生物质1,2-丙二醇合成具有高附加值化学品的绿色环保工艺路线研究具有较高的理论研究与应用价值。
　　本论文主要研究了纳米金属催化剂选择性催化氧化1,2-丙二醇反应。主要研究了双金属Pd-Ag纳米颗粒常压下催化1,2-丙二醇氧化制备乳酸，核壳结构Cu@Au纳米颗粒催化1,2-丙二醇氧化制备乳酸，铜纳米颗粒催化氧化1,2-丙二醇制备羧酸。主要研究了纳米金属催化剂结构、尺寸对催化性能的影响。研究了反应温度、1,2-丙二醇浓度、O2流速/压力，NaOH浓度和催化剂用量等实验对1,2-丙二醇氧化反应的影响，探讨了催化反应机理。并对催化反应动力学进行了模拟研究。
　　1.以双金属Pd-Ag纳米颗粒作为催化剂，研究在常压下，以O2为氧源，催化可再生的1,2-丙二醇氧化制备高附加值的乳酸。双金属Pd-Ag纳米颗粒是采用湿化学还原法制备而成，制备过程中以Tween作为有机改性剂。双金属Pd-Ag纳米颗粒是由平均粒径为3.8-7.3 nm的Pd纳米颗粒和15.2-30.2 nm的Ag纳米颗粒组成。XRD， HRTEM和XPS分析均表明在Pd与Ag纳米颗粒之间存在合金化趋势。具有低Pd含量的双金属Pd-Ag纳米颗粒有效地催化1,2-丙二醇进行选择性氧化得到乳酸。在大气压下，以Pd0.15Ag0.85纳米颗粒作为催化剂，在85℃氢氧化钠水溶液中，用O2催化1,2-丙二醇氧化，反应6 h后，乳酸选择性为92.8%，1,2-丙二醇转化率为82.7%。使用双金属Pd-Ag催化1,2-丙二醇氧化的动力学受到催化剂中Pd和Ag比例影响。
　　2.核壳结构的 Cu@Au纳米颗粒是使用 Tween作为有机改性剂，采用湿化学还原法制备。在温和的反应条件下，制备的Cu@Au纳米颗粒在1,2-丙二醇氧化反应中展现出比单Au纳米颗粒高的催化活性，且制备的小尺寸纳米铜（60 nm）的Cu@Au纳米颗粒比大尺寸纳米铜（107 nm）的催化活性高。使用Au和Cu纳米颗粒的比例为0.015:0.985和0.035:0.965的Cu@Au纳米颗粒作为催化剂，可以有效地将1,2-丙二醇催化氧化至乳酸。双金属Cu0.985Au0.015催化剂催化1,2-丙二醇氧化，在NaOH水溶液中，反应温度100 oC反应4 h后，1,2-丙二醇的转化率为89.3%，乳酸的选择性为76.1%。动力学研究表明，幂函数型反应动力学模型很好地拟合了实验数据，使用Cu0.985Au0.015纳米颗粒催化剂，反应的活化能为34.1 kJ mol-1。
　　3.在乙醇溶液中，使用不同的有机改性剂，如柠檬酸(CA)，十六烷基三甲基溴化铵，吐温80(Tween)和聚乙二醇6000，采用湿化学还原法制备具有不同粒径的纳米铜颗粒。在铜纳米颗粒作为催化剂催化1,2-丙二醇氧化反应中，金属Cu0颗粒的尺寸大小对1,2-丙二醇氧化的不同产物选择性具有显著影响。使用平均粒径为15.2 nm的CuCA纳米颗粒作为催化剂，促进乙酸和甲酸合成，使用平均粒径为26.9 nm的CuTween纳米颗粒作为催化剂，促进乳酸合成。纳米铜催化剂在催化1,2-丙二醇氧化反应中展现出比较好的循环使用性能。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 1,2-丙二醇简介

1.3 乳酸简介

1.4 纳米金属催化剂

1.5 论文选题背景及研究内容

第二章 纳米Pd-Ag颗粒常压下选择性催化1,2-丙二醇氧化制备乳酸

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 核壳结构Cu@Au纳米金属选择性催化1,2-丙二醇氧化制备乳酸

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 纳米Cu催化1,2-丙二醇氧化制备羧酸

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 结 论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及其它科研成果