纳米CeO2的制备及其催化甲醇和CO2合成碳酸二甲酯

摘要

碳酸二甲酯(DMC)是一种绿色的有机化学试剂，1992年在欧洲被列为无毒化学品，被我国列入国家“九五”重点开发的50个精细化工品种之一。DMC可以代替光气作羰基化试剂，代替硫酸二甲酯(DMS)作甲基化试剂，还可以作清洁、安全的绿色无毒溶剂和无铅化及新配方汽油添加剂。然而传统的合成DMC的方法存在着环境污染严重、产率低、成本高等缺点，因而限制了DMC的广泛应用。而以甲醇和CO2为原料合成DMC的方法，则是一条符合低碳发展、资源综合高效利用的绿色合成路线，具有重大的经济效益和社会效益。
　　本文首先通过快速氧化法、直接焙烧法、水热滴加法和水热倾倒法制备了纳米CeO2催化剂，再分别通过TEM、XRD、BET、XPS和TPD对催化剂的形貌、粒径、织构性质、价态性质和表面酸碱性进行了表征，并将其用于催化CO2和甲醇直接合成DMC。研究结果表明水热滴加法制得的纳米CeO2表现出优越的催化活性。再通过进一步优化，得到催化性能最优的CeO2催化剂。在此基础上，通过浸渍法将不同碱土金属氧化物(MgO、CaO和BaO)以不同比例分别掺杂到该催化剂中，考察掺杂金属氧化物和掺杂量对其催化性能的影响。研究结果表明，此三种掺杂金属及掺杂量对其催化活性有抑制作用。
　　其次，本文以活性炭(AC)为模板剂通过浸渍法引入铈源，通过高温焙烧制得了不同CeO2/AC的纳米CeO2催化剂。在催化甲醇和CO2合成DMC的反应中，当CeO2与活性炭的质量比为3:7(CeO2/AC≈0.43)时，DMC产率最高，达到0.8931 mmol/mmolcat。结合表征分析和催化性能，发现在焙烧过程中，催化剂前驱体中活性炭的去除过程能够有效地调节催化剂表面的酸碱位；中强酸碱性位的强度和数量是影响催化性能的重要因素。
　　最后，本文通过水热法制备了氢氧化铈前驱体，然后通过不同气氛(氢气、氩气、空气和氧气)高温焙烧来制备不同价态比例的纳米CeO2催化剂。催化性能分析显示氧气气氛焙烧制得的催化剂显示出最佳的催化活性，DMC产率达到1.304 mmol/mmolcat。结合表征分析及催化性能，发现不同气氛焙烧可以调节纳米CeO2中的Ce(IV)/Ce(III)和酸碱性位。与其它气氛焙烧的催化剂相比，CeO2-O2中存在较高的Ce(IV)/Ce(III)和大量强度适中的酸碱性位。较高的Ce(IV)/Ce(III)和大量强度适中的酸碱性位是影响CeO2催化活性的重要因素。

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第一章 文献综述与选题

1.1 碳酸二甲酯的性质与用途

1.2 碳酸二甲酯的合成方法与催化剂

1.3 二氧化铈

1.4 研究目的和意义

1.5 研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验试剂

2.2 实验仪器

2.3 实验流程

2.4 催化剂的制备

2.5 碳酸二甲酯液相催化合成反应

2.6 催化剂表征

第三章 不同制备方法对纳米CeO2催化性能的影响

3.1 不同方法制备的纳米CeO2的催化性能

3.2 不同方法制备的纳米CeO2的表征分析

3.3 水热滴加法制备纳米CeO2催化剂的条件优化

3.4 小结

第四章 不同掺杂金属氧化物对纳米CeO2催化性能的影响

4.1 不同掺杂金属氧化物的纳米CeO2的催化性能

4.2 不同掺杂金属氧化物的纳米CeO2的表征分析

4.4 小结

第五章 活性炭模板剂对纳米CeO2催化性能的影响

5.1 模板法制备的纳米CeO2的催化性能

5.2 负载型纳米CeO2的催化性能

5.3 模板法制备的CeO2的表征分析

5.4 小结

第六章 焙烧气氛对纳米CeO2催化性能的影响

6.1 不同焙烧气氛制备的纳米CeO2的催化性能

6.2 不同焙烧气氛制备的纳米CeO2的表征分析

6.3 小结

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文