非硅基介孔材料的合成及催化性能研究

摘要

介孔分子筛材料由于具有较大的比表面积、均一可调的孔径、丰富的介观结构和骨架组成等优点，使得它们在石油化工、精细化工等领域展现出广阔的应用前景。然而迄今为止，大部分介孔催化材料的研究主要集中在硅基介孔材料，由于纯硅基材料无活性中心，通常需要对其进行功能化，引入催化活性组分，该方法通常步骤较多，过程不易控制。相比于硅基介孔材料，非硅基介孔材料如金属氧化物、金属、非晶态合金具有独特的光、电、磁性质，结合介孔材料特有的大比表面及均一可调的孔径分布等优势，使其成为具有广阔应用前景的催化新材料。然而相比于硅基介孔材料，非硅基介孔材料的合成难度大，介观结构相对单一，其研究目前尚处探索、发展阶段。因而非硅基介孔材料的合成及对其催化性能研究具有重要的理论和现实意义。
　　本论文利用溶剂挥发诱导自组装法(ESIA)，控制合成了蠕虫、六方和MCF相介孔氧化铝(m-Al2O3)，利用其较大的比表面制备了高分散钒的催化剂，研究了介孔氧化铝载体的酸性、载体与表面钒物种的相互作用以及制备方法对丙烷氧化脱氢反应的影响。利用硬模板法，合成了不同拓扑结构和孔径大小的三维螺旋结构介孔Pd催化剂以及不同形貌的介孔Pd纳米线阵列，以苯乙酮不对称加氢为探针反应，研究了纳米孔道尺寸、拓扑结构和晶面取向对手性加氢性能的影响。另外，还以甲酸电氧化为探针反应，研究了介孔Pd纳米线阵列的形貌对电催化性能的影响。利用液晶模板法，合成了不同形貌、粒径、P含量的介孔非晶态Ni-P纳米球，以硝基苯加氢制苯胺为探针反应，研究了介孔非晶态Ni-P纳米球的催化性能。具体研究工作与结果包括以下几部分:
　　1.介孔氧化铝的合成及其在丙烷氧化脱氢中的应用
　　采用溶剂挥发诱导自组装法，通过调变制备条件如湿度、溶剂种类、表面活性剂种类等合成了不同介观结构和孔径尺寸可调的介孔氧化铝。CTAB和DMA可导向蠕虫孔道的介孔氧化铝，孔径在2-4 nm间。P123和F127可导向二维六方结构的介孔氧化铝，孔径在5-7 nm间，低湿度、溶剂为乙醇或异丙醇时有利于获得高度有序二维六方结构介孔氧化铝，添加适量TMB可获得大孔径(40 nm)的MCF相介孔氧化铝。通过共合成法，可以将Mg、 Zr、Si、Ti、V等掺入介孔氧化铝骨架中，且二维六方结构的介孔氧化铝骨架仍保持完好。
　　以高度有序二维六方结构的介孔氧化铝为载体，采用浸渍法制备了介孔氧化铝负载钒催化剂(V/m-Al2O3)，并考察了其催化丙烷氧化脱氢制丙烯反应活性。通过N2吸附-脱附、透射电镜、X射线粉末衍射、紫外-可见漫反射光谱、氢气-程序升温还原和氨-程序升温脱附对催化剂进行了表征。结果表明，介孔氧化铝负载适量的V可实现V活性物种的高分散及催化剂的弱酸性，从而有利于提高丙烷转化率和丙烯选择性。与共合成法制备的含V介孔氧化铝V-m-Al2O3和浸渍法制备的V/γ-Al2O3相比，V/m-Al2O3表现出更高的催化活性，这与载体较弱的酸性和较高的比表面积以及V物种的高分散有关。
　　2.三维螺旋结构介孔Pd材料的合成及其在芳香酮不对称加氢中的应用
　　采用“超声双溶剂”法结合KIT-6介孔二氧化硅分子筛为硬模板合成了不同拓扑结构和孔径尺寸的三维螺旋结构介孔Pd。通过调变介孔分子筛KIT-6硬模板的水热处理温度，我们可以调变反相复制得到的介孔Pd催化剂的拓扑结构和孔径大小。当KIT-6的水热处理温度高于373 K时，反相复制得到的介孔Pd催化剂可以完整地复制硬模板的Ia3d对称性。而当水热温度低于353 K时，反相复制得到的介孔Pd催化剂的对称性转成I4132。通过控制还原剂的种类，可以调控得到的介孔Pd催化剂的介孔结构的规整性以及晶面取向，其中KBH4还原得到的介孔Pd催化剂较水合肼和H2还原的样品展示出更高的介孔有序度，且其高晶面指数衍射峰相对强度更低。
　　以芳香酮手性加氢制备手性芳香醇为探针反应，考察了上述材料的手性加氢催化性能。通过系统研究我们发现通过调变介孔Pd催化剂的拓扑结构、孔径和晶面取向可以显著提升苯乙酮不对称加氢的手性选择性。相比三维单螺旋(I4132)和两维六方(P6mm)结构，三维双螺旋(Ia3d)结构的介孔Pd催化剂上可以获得更高的手性选择性。KBH4还原得到的Pd催化剂手性选择性优于水合肼和H2还原的催化剂。优化的催化剂在常压苯乙酮及其衍生物的不对称加氢反应中展示出40-73％的对映体选择性。理论计算表明，KBH4还原得到的Ia3d结构的介孔Pd催化剂中适宜的Pd晶面取向有利于形成R构型产物。
　　3.介孔Pd纳米线阵列的合成及其在甲酸电氧化中的应用
　　以不同形貌的介孔二氧化硅分子筛SBA-15作为硬模板合成了不同形貌的介孔Pd纳米线阵列。以普通形貌的Regular-SBA-15作为硬模板时，通过调变前驱体填充量、还原剂以及还原前热处理等条件得到了长达数微米的Pd纳米线(1D-Wire-Pd)以及介孔Pd纳米线阵列(2D-Wire-Pd)。以短棒状形貌的Rod-SBA-15作为硬模板时，得到了短棒状介孔Pd纳米线阵列(2D-Rod-Pd)。
　　以甲酸电氧化为探针反应，比较了不同形貌的介孔Pd纳米线阵列电催化性能。研究结果表明，1D-Wire-Pd具有最好的催化活性，其峰电流值为324 mA mg-1，而由短棒组成的2D-Rod-Pd则表现出最低的催化活性(205 mA mg-1)。2D-Wire-Pd和2D-Rod-Pd则具有更好的甲酸电氧化的稳定性，1000 s后电极表面的甲酸电氧化电流值约为初始电流的60％。综合考虑催化活性和稳定性，2D-Wire-Pd催化剂具有一定的应用前景。
　　4.介孔Ni-P非晶态合金纳米球的合成及其在硝基苯加氢中的应用
　　采用液晶模板法，通过调变制备条件如H2PO2-/Ni2+摩尔比、反应温度、CTAB用量、表面活性剂种类等合成了不同P含量、粒径和形貌的介孔Ni-P非晶态合金纳米球。DMA可导向核壳结构的Ni-P非晶态合金，且壳层上具有孔道。以CTAB为表面活性剂，在较低浓度下可导向蠕虫孔道介孔Ni-P非晶态合金纳米球。改变H2PO2-/Ni2+摩尔比可以使P含量在19.5-27.6 at.％之间调变。反应温度对介孔Ni-P的粒径影响较大，温度从333 K升高到393 K，粒径从90 nm减小到35 nm。提高CTAB的浓度时，可得到核壳、yolk-shell、空心球结构的Ni-P非晶态合金。以硝基苯加氢制苯胺作为探针反应，研究了P含量为20.1 at.％的介孔Ni-P非晶态合金的催化性能，并与常规方法制得的普通Ni-P非晶态合金进行了比较。研究表明，与普通Ni-P相比，介孔Ni-P具有更高的催化活性，对苯胺具有更佳的选择性。

目录

摘要

第一章 前言

1．1 介孔材料概述

1．2 介孔材料的合成

1．2．1 合成方法

1．2．2 合成机理

1．2．3 介观结构及孔径调变

1．3 介孔材料的分类

1．3．1 硅基材料

1．3．2 非硅基材料

1．4 介孔材料在催化反应中的应用

1．4．1 硅基催化材料

1．4．2 非硅基催化材料

1．5 本论文的研究目标

参考文献

第二章 实验试剂和常用表征方法

2．1 试剂和药品

2．2 样品的表征

第三章 介孔氧化铝的合成及其在丙烷氧化脱氢中的应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 合成

3．2．2 催化活性测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 介孔氧化铝的合成

3．3．2 含钒介孔氧化铝催化剂的表征

3．3．3 介孔氧化铝负载钒催化剂上丙烷氧化脱氢制丙烯性能

3．4 小结

参考文献

第四章 三维螺旋结构介孔Pd材料的合成及其在芳香酮不对称加氢中的应用

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 合成

4．2．2 催化活性测试

4．2．3 理论计算

4．3 结果与讨论

4．3．1 介孔二氧化硅分子筛的表征

4．3．2 二氯化硅硬模扳对三维螺旋结构介孔Pd的结构的影响

4．3．3 KIT-6反相复制的介孔Pd催化剂的表征

4．3．4 介孔Pd催化剂上苯乙酮不对称加氢性能

4．3．5 芳环取代苯乙酮不对称加氢

4．3．6 反应机理研究

4．4 小结

参考文献

第五章 介孔Pd纳米线阵列的合成及其在甲酸电氧化中的应用

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 合成

5．2．2 电催化性能测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 介孔二氧化硅分子筛的表征

5．3．2 介孔Pd纳米线阵列的合成

5．3．3 介孔Pd纳米线阵列上的甲酸电氧化性能

5．4 小结

参考文献

第六章 介孔Ni-P非晶态合金纳米球的合成及其在硝基苯加氢中的应用

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 合成

6．2．2 催化活性测试

6．3 结果与讨论

6．3．1 介孔Ni-P非晶态合金的合成

6．3．2 介孔Ni-P非晶态合金的表征

6．3．3 介孔Ni-P非晶态合金上硝基苯加氢制苯胺性能

6．4 小结

参考文献

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

论文发表情况

致谢

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