杂原子介孔磷酸铝分子筛的合成、表征及催化氧化性能研究

摘要

介孔磷酸铝分子筛骨架由铝氧四面体与磷氧四面体交替排列而成，呈电中性，当杂原子如硅、过渡金属钴和锰等进入磷酸铝分子筛骨架结构后，其骨架则带有电荷产生酸性位，也能同时产生氧化还原活性位，从而成为潜在的催化材料。同微孔相比，介孔磷酸铝分子筛具有较高的比表面积，较大的孔径，较窄的孔径分布，从而使其应用于有较大分子参与的反应成为可能，表现出潜在的应用前景，可用于加氢、脱氢、重整、裂化、异构化、环化及氧化等多种反应。但是同微孔磷酸铝分子筛和介孔硅基分子筛相比，介孔磷酸铝分子筛的稳定性较差，且合成的影响因素较多，造成合成的经验性强、过程的可控性差，本文致力于合成出较高热稳定性的介孔磷酸铝分子筛，并对其应用进行研究。
　　 本文采用水热合成法对介孔磷酸铝分子筛进行了合成，并通过大量的实验，讨论了四甲基氢氧化铵加入量、晶化温度、晶化时间、铝与磷原料摩尔配比、模板剂脱除方法等影响因素对分子筛晶体结构和性能的影响，并借助X射线粉末衍射(X-raypowder diffraction，XRD)、傅立叶变换红外光谱（flourier transform infraredspectrometry，FT-IR）、热重-差热分析（thermogravimetry and differential thermalanalysis，TG-DTA）、比表面积测定（Brunner-Emmett-Teller method，BET）等分析手段，得出介孔磷酸铝分子筛较好的合成工艺。在此基础上，将铁、钴和铬等杂原子引入介孔磷酸铝分子筛中，并通过氮气吸附、紫外可见漫反射光谱（ultraviolet-visiblediffuse reflectance spectroscopy，UV-Vis DRS）和电子顺磁共振波谱(electronparamagnetic resonance spectroscopy，EPR)等分析手段对分子筛结构和杂原子存在形态进行了表征，并将所合成分子筛用于不同氧化反应，考察其催化性能。
　　 在铁掺杂介孔磷酸铝分子筛中，铁原子进入分子筛骨架结构中，并主要以四配位形式存在，同时存在少量骨架外铁氧化物。将其用于苯酚过氧化氢羟基化制苯二酚反应中，三价铁离子(Fe3+)是催化苯酚羟基化反应的活性中心，骨架铁物种的活性要远高于非骨架的铁物种，非骨架的铁物种（主要以骨架外氧化物聚集体（簇）的形式存在）会导致过氧化氢的无效分解，采用优化的工艺条件，苯酚的转化率、苯二酚的选择性和过氧化氢有效利用率分别达到21.0％、98.2％和62.7％。同时将铁掺杂介孔磷酸铝分子筛用于催化过氧化氢氧化水溶液中苯酚的反应，苯酚去除率达到99.5％，化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)去除率达到87.9％，析出到溶液中Fe3+离子活性很低，并且浓度也很低，不会产生二次污染，克服了芬顿(Fenton)试剂的缺陷。提出了铁掺杂介孔磷酸铝分子筛催化过氧化氢氧化水溶液中苯酚的催化机理，并通过设计实验进行了验证。机理如下:反应中过氧化氢首先吸附在骨架铁物种上形成羟基自由基(·OH)，·OH进攻苯环生成相应的中间产物，如苯醌、邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚等，这些中间产物继续与·OH反应生成低碳链的脂肪酸，主要有草酸、乙酸和富马酸等，低碳链的脂肪酸可进一步被氧化最终氧化为二氧化碳和水。
　　 在钴掺杂介孔磷酸铝分子筛中，引入钴原子对700cm-1附近的红外吸收峰有明显的增强作用。钴掺杂介孔磷酸铝分子筛在苯乙烯氧化制苯甲醛反应中，具有较高的活性和选择性，条件优化后苯乙烯转化率达到42.2％，苯甲醛选择性为82.0％，苯甲醛产率达到34.6％，并具有较好的稳定性。
　　 采用XRD研究了铬掺杂介孔磷酸铝分子筛在不同晶化温度下的水热晶化过程。以相对结晶度为指标测定了结晶动力学曲线，并根据阿累尼乌斯（Arrhenius）方程计算了铬掺杂介孔磷酸铝分子筛表观成核活化能和表观晶体生长活化能，分别为63.7kJ·mol-1和14.7kJ·mol-1。将其用于乙苯选择性氧化制苯乙酮反应中，乙苯转化率可达到72.8％，苯乙酮选择性为85.4％，苯乙酮产率达到62.2％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 介孔结构的理论基础

1．1．1 介孔结构形成机理

1．1．2 介孔结构合成路线

1．2 介孔磷酸铝分子筛

1．2．1 介孔磷酸铝分子筛的性能

1．2．2 介孔磷酸铝分子筛的合成

1．2．3 杂原子介孔磷酸铝分子筛研究进展

1．3 本课题研究目的和意义

2 介孔磷酸铝分子筛的合成与表征

2．1 实验部分

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．1．3 表征方法

2．1．4 介孔磷酸铝分子筛的合成

2．1．5 模板剂脱除方法

2．1．6 晶化釜密闭性检验

2．2 结果与讨论

2．2．1 合成条件对介孔磷酸铝分子筛结构的影响

2．2．2 模板剂脱除方法对分子筛结构的影响

2．2．3 不同模板剂对分子筛结构的影响

2．3 小结

3 介孔Fe-MAP分子筛的合成、表征及催化苯酚羟基化反应性能

3．1 实验部分

3．1．1 试剂

3．1．2 催化剂的制备

3．1．3 催化剂的表征

3．1．4 催化性能

3．1．5 催化剂的稳定性

3．2 结果与讨论

3．2．1 催化剂表征结果

3．2．2 不同催化剂催化苯酚羟基化性能

3．2．3 反应条件对苯酚羟基化反应的影响

3．2．4 催化剂的稳定性

3．2．5 反应机理讨论

3．3 小结

4 介孔Fe-MAP分子筛催化氧化水溶液中苯酚的性能

4．1 实验部分

4．1．1 试剂

4．1．2 催化剂的制备

4．1．3 催化性能

4．1．4 催化剂的稳定性

4．2 结果与讨论

4．2．1 不同催化剂对水溶液中苯酚的催化氧化性能

4．2．2 反应条件对催化氧化水溶液中苯酚的影响

4．2．3 催化剂的稳定性

4．2．4 催化机理讨论

4．3 小结

5 介孔Co-MAP分子筛的合成、表征及催化苯乙烯制苯甲醛性能

5．1 实验部分

5．1．1 试剂

5．1．2 催化剂的制备

5．1．3 催化剂的表征

5．1．4 催化性能研究

5．1．5 催化剂的稳定性

5．2 结果与讨论

5．2．1 表征结果

5．2．2 Co-MAP催化苯乙烯氧化性能

5．2．3 反应条件对苯乙烯氧化反应的影响

5．2．4 催化剂的稳定性

5．2．5 反应机理的讨论

5．3 小结

6 介孔Cr-MAP分子筛的合成、表征及催化乙苯制苯乙酮性能

6．1 实验部分

6．1．1 试剂

6．1．2 催化剂的制备

6．1．3 催化剂的表征

6．1．4 催化性能研究

6．1．5 催化剂的稳定性

6．1．6 结晶动力学实验

6．2 结果与讨论

6．2．1 表征结果

6．2．2 Cr-MAP催化乙苯氧化性能

6．2．3 反应条件对乙苯氧化反应的影响

6．2．4 催化剂的稳定性

6．2．5 结晶动力学

6．3 小结

结论

致谢

参考文献

附录