低碳烷烃的多相光催化选择氧化

许多含氧有机物如醇、醛、酮等 ,是化学工业的重要原料 .利用分子氧氧化烷烃生产含氧有机物 ,是化学工业的一个重要过程 .低碳烷烃催化部分氧化的过程往往伴随着初级产物的自氧化 ,从而导致选择性降低 .为了减少反应初级产物的自氧化 ,反应必须维持在烷烃低转化的条件下进行[1] .设计并合成直接将低碳烷烃中的 C- H键有效地选择活化的催化剂 ,是目前催化学科面临的一个艰巨任务 [2 ,3 ] .对于光催化来说 ,一度被寄于厚望的、以金属有机复合物及盐类 [4～ 6]催化低碳烷烃选择氧化为含氧有机物的需氧氧化过程也面临许多困难[7] ,作为研究克服…     

多相光催化甲苯选择性氧化研究进展

苯甲醛广泛应用于香精香料、染料、医药、农药、助剂等精细化工领域和合成材料工业中.采用多相光催化氧化甲苯制备苯甲醛,具有反应条件相对温和、产物选择性较高、催化剂与反应液的分离较容易等优点,正逐渐受到重视.本文从光催化反应机制、催化剂类型(包括TiO_2基、Bi基、Cd S基、g-C_3N_4基等)等方面进行综述和总结,分析了近10年来甲苯光催化选择性氧化的研究进展,最后结合本课题组在该方面的研究积累和认识,对甲苯光催化选择性氧化高效催化剂设计、制备以及光催化反应机制和高效光催化反应器的研发等方面进行了展望.     

负载型纳米金催化葡萄糖氧化研究进展

正近年来,负载型金催化剂已广泛应用于催化各类氧化反应,如CO氧化[1-2]、水煤气转换反应[3-4]、醇醛的选择性氧化[5-7]、过氧化氢合成[8]、挥发性有机物催化燃烧等[9].同时,负载型金属催化剂(Pt、Pd)已应用于催化葡萄糖氧化制备葡萄糖酸盐,但在催化反应过程中易发生催化剂钝     

钒磷氧合成条件对丁烷选择性氧化催化性能的影响

正丁烷氧化制备顺酐是低碳烷烃高值化利用的典型代表,钒磷氧(VPO)催化剂是该反应唯一的工业催化剂。通过调控有机相法合成过程中还原时间、回流时间和磷钒物质的量比3种实验参数,合成系列VPO催化剂,结合多种分析手段,探索合成条件对催化剂结构的影响规律,获得精细调控催化剂合成的方法和最优条件,催化正丁烷选择性氧化反应,转化率可达93.8%,顺酐收率达62.4%。进而精准构筑VPO催化剂,揭示VPO催化正丁烷选择性氧化制顺酐反应中的构效关系。     

金属卟啉催化烷烃选择性氧化反应的研究进展

金属卟啉作为一种仿生催化剂,能够实现在温和条件下对分子氧的催化活化,在催化烷烃氧化反应中显现出巨大的潜力.本文总结了金属卟啉结构对烷烃选择性氧化结果的影响,并介绍了近期金属卟啉催化剂应用于烷烃氧化反应的研究进展,最后探讨了金属卟啉催化剂在催化烷烃选择性氧化反应中存在的问题及发展前景.     

钌基催化剂催化的气固相反应

催化剂被广泛应用于各种化学品的生产,从原子尺度了解整个催化反应体系有利于合理设计新型催化剂.参与气固相反应的催化剂主要有贵金属催化剂和过渡金属催化剂.近年来, Ru基催化剂由于在低温低压下表现出良好的催化活性而广泛应用于一些气固相反应.本文对 Ru的基本性质、氧化行为以及 Ru基催化剂的理论研究进行综述.介绍了钌基催化剂参与的气固相反应,包括挥发性有机物的催化氧化、一氧化碳优先氧化(PROX)、氨合成、氯化氢氧化以及甲烷部分氧化,分析了催化性能与理化性质之间的构效关系,提出了钌基催化剂在相关反应中存在的问题以及未来发展趋势. Ru具有多种氧化态,在 Ru基催化剂参与的气固相反应中,金属 Ru和/或 RuO2被认为是活性物种,通常反应温度在400oC以下. Ru (0001)晶面在 O2存在条件下,随着氧气含量的不同会从中间态过渡到氧化态,实验证明该晶面属于 RuO2.理论研究证实了在反应过程中 RuO2的存在,并提出了核壳结构,对于其它气固相反应的机理研究有一定启发.挥发性有机物(VOC)的催化氧化主要集中烷烃、烯烃、芳烃以及卤代烃的催化氧化,催化剂的理化性质包括颗粒粒径、价态和晶体结构等对催化活性有很大影响,并且 Ru基催化剂对卤代烃的催化氧化表现出良好的抗卤性,同时多卤代副产物低于其它贵金属体系. Ru基催化剂在低温条件下对 PROX具有高的活性和选择性,并且可以有效抑制 H2氧化、CO甲烷化和CO2甲烷化等副反应发生.氨合成的难点在于 N≡N具有很强的解离能,许多研究表明,氨合成使用的 Ru基催化剂的催化性能与载体性质密切相关, Ru与载体之间强的相互作用使得电子可以迅速地从载体转移到 Ru颗粒上,掺杂其它有效元素可能会提供更多的氧空位和有效防止高温焙烧导致催化剂烧结.对于 HCl氧化虽然研究较少,但是 Over等人对 HCl氧化机理进行了深入研究,并且日本住友化工设计的 Ru基催化剂已经商业化. Ru基催化剂可以有效降低甲烷部分氧化的反应温度和压力,并具有高的选择性和稳定性,避免副产物生成.现有催化系统以及新型催化剂开发仍面临诸多挑战,例如：对于单一 VOC氧化过程和多元 VOCs催化氧化的机理和动力学需要进一步研究;对于氨合成需要寻求具有高电导率的载体,从而将电子快速转移到 Ru颗粒表面,使得氨合成在更低温度下进行;为了避免副产物生成,需确保新型 Ru基催化剂上PROX和甲烷部分氧化在低温低压条件下进行; Ru基催化剂理化性质对活性的影响以及失活等问题需要进一步研究.     

钌基催化剂催化的气固相反应（英文）

催化剂被广泛应用于各种化学品的生产,从原子尺度了解整个催化反应体系有利于合理设计新型催化剂.参与气固相反应的催化剂主要有贵金属催化剂和过渡金属催化剂.近年来,Ru基催化剂由于在低温低压下表现出良好的催化活性而广泛应用于一些气固相反应.本文对Ru的基本性质、氧化行为以及Ru基催化剂的理论研究进行综述.介绍了钌基催化剂参与的气固相反应,包括挥发性有机物的催化氧化、一氧化碳优先氧化(PROX)、氨合成、氯化氢氧化以及甲烷部分氧化,分析了催化性能与理化性质之间的构效关系,提出了钌基催化剂在相关反应中存在的问题以及未来发展趋势.Ru具有多种氧化态,在Ru基催化剂参与的气固相反应中,金属Ru和/或RuO_2被认为是活性物种,通常反应温度在400oC以下.Ru(0001)晶面在O_2存在条件下,随着氧气含量的不同会从中间态过渡到氧化态,实验证明该晶面属于RuO_2.理论研究证实了在反应过程中RuO_2的存在,并提出了核壳结构,对于其它气固相反应的机理研究有一定启发.挥发性有机物(VOC)的催化氧化主要集中烷烃、烯烃、芳烃以及卤代烃的催化氧化,催化剂的理化性质包括颗粒粒径、价态和晶体结构等对催化活性有很大影响,并且Ru基催化剂对卤代烃的催化氧化表现出良好的抗卤性,同时多卤代副产物低于其它贵金属体系.Ru基催化剂在低温条件下对PROX具有高的活性和选择性,并且可以有效抑制H_2氧化、CO甲烷化和CO_2甲烷化等副反应发生.氨合成的难点在于N≡N具有很强的解离能,许多研究表明,氨合成使用的Ru基催化剂的催化性能与载体性质密切相关,Ru与载体之间强的相互作用使得电子可以迅速地从载体转移到Ru颗粒上,掺杂其它有效元素可能会提供更多的氧空位和有效防止高温焙烧导致催化剂烧结.对于HCl氧化虽然研究较少,但是Over等人对HCl氧化机理进行了深入研究,并且日本住友化工设计的Ru基催化剂已经商业化.Ru基催化剂可以有效降低甲烷部分氧化的反应温度和压力,并具有高的选择性和稳定性,避免副产物生成.现有催化系统以及新型催化剂开发仍面临诸多挑战,例如:对于单一VOC氧化过程和多元VOCs催化氧化的机理和动力学需要进一步研究;对于氨合成需要寻求具有高电导率的载体,从而将电子快速转移到Ru颗粒表面,使得氨合成在更低温度下进行;为了避免副产物生成,需确保新型Ru基催化剂上PROX和甲烷部分氧化在低温低压条件下进行;Ru基催化剂理化性质对活性的影响以及失活等问题需要进一步研究.     

负载型廉价金属催化剂在低温催化氧化甲醛中的应用

甲醛是室内常见的挥发性有机污染物之一,长期接触会严重危害人体健康。负载型廉价金属催化剂在甲醛去除和实际应用方面表现出优异性能,引起研究人员的广泛关注。本文阐述了低温条件下负载型廉价金属催化剂在甲醛热催化氧化、光催化氧化和等离子协同催化氧化方面的研究进展,介绍了甲醛低温催化的影响因素,并讨论了反应机理。反应条件、载体类型和制备方式是影响甲醛低温催化活性的重要因素。虽然负载型廉价金属催化剂在甲醛光催化氧化和热催化氧化方面均表现出良好性能,但仍须进一步探究提升其在可见光和室温下的催化活性。对于甲醛等离子协同催化氧化,降低反应过程所产生的副产物和能耗仍是研究重点。此外,本文还对负载型廉价金属催化剂在甲醛催化应用中的发展方向进行了展望。     

无碱条件下Au/ZnO选择性催化氧化1,3-丙二醇合成3-羟基丙酸甲酯

采用溶胶-沉积法合成了高选择性的Au/ZnO催化剂,用于1,3-丙二醇选择性氧化酯化为3-羟基丙酸甲酯的反应.研究了保护剂PVA用量、金溶胶合成温度、金负载量及催化剂循环利用对反应的影响,且优化了反应温度和反应压力,并对催化剂进行了XRD和TEM表征.结果表明,PVA∶Au(m/m)=1∶4、金溶胶合成温度25℃、金负载量1%的Au/ZnO对目标反应的催化活性最好,在100℃和Po2=2MPa的条件下1,3-丙二醇的转化率达82.8%,产物3-羟基丙酸甲酯的选择性达95.4%.Au纳米粒子的粒径影响催化性能,在Au平均粒径为2.8~6.1nm的范围内,产物选择性随Au纳米粒子的粒径的减小而增大,平均粒径在2.8~4.8nm的范围内时,催化剂具有较好的产物选择性(大于90%);Au/ZnO催化剂循环利用4次后催化性能(转化率和选择性)无明显下降;并推测了无碱条件下Au/ZnO选择性催化氧化1,3-丙二醇合成3-羟基丙酸甲酯的反应机制.     

胺-胺氧化偶联合成亚胺的研究进展

亚胺是一类性质活泼的中间体且具有很好的抗菌作用,因而受到广泛关注.胺-胺氧化偶联合成亚胺的路线由于具有原子经济性高和对环境友好等优点,已成为研究的热点.主要从催化剂及其催化机理两方面对胺-胺氧化偶联合成亚胺的研究进展进行综述.分别对贵金属、非贵金属、光催化、仿生催化以及聚苯胺、氧化石墨、偶氮二异丁腈等体系催化的胺-胺氧化偶联合成亚胺反应进行了详细地介绍,重点论述了各种催化剂的催化性能、优缺点和底物适用范围,还对主要催化体系的催化机理作了分析.需要指出,尽管目前胺-胺氧化偶联合成亚胺的催化剂研究已有了较大的发展,但在一定程度上依然存在着催化剂成本高,反应条件苛刻,对胺-胺交叉氧化偶联反应的催化性能较低,以及需要使用特定氧化剂、碱性助剂和溶剂等缺点.最后,基于胺-胺氧化偶联合成亚胺路线存在的问题,指出了该领域的研究方向.     

镁铝水滑石负载MnO-4催化氧化乙苯合成苯乙酮

采用焙烧还原法制备了镁铝水滑石负载MnO4-催化剂,并将其应用于催化氧气氧化乙苯合成苯乙酮的反应中。考察了催化剂用量、反应温度、反应时间、MnO4-负载量和镁铝比等因素对催化氧化反应的影响及催化剂的重复使用性能。在优化条件下:催化剂用量3 g,乙苯用量45 mL,反应温度120℃,水滑石结构中n(Mg)/n(Al)=5,氧气流量100 mL/min,苯乙酮产率可达57.0%,苯乙酮选择性可达96.3%,催化剂重复使用3次催化活性降低较小。     

选择性氧化HMF

近年来,利用储量丰富且可再生的生物质资源制备高附加值化学品和液体燃料是目前化学研究领域的热点之一,同时契合可持续发展的国家战略。5-羟甲基糠醛(HMF)是关键的生物质平台化合物之一,广泛应用于制备精细平台化合物、药物的中间体、聚合物的合成、液体燃料的前驱体等。因此,HMF的选择性氧化逐渐成为生物质领域的研究热点。本文主要介绍了近五年来关于HMF选择氧化制备DFF、FFCA、FDCA等生物质衍生物的研究,以及以HMF为中间体的生物质转化过程。关于对HMF进行选择性氧化,主要聚焦于以热催化和光催化两种途径。其中,以热催化的途径将HMF选择性氧化为DFF和FDCA研究较多,此途径下的催化体系主要介绍了贵金属和非贵金属两类;而在为数不多的光催化途径下,主要研究的催化体系是g-C₃N₄催化剂。最后,指出了目前HMF氧化反应研究存在的不足,并提出了可能解决的方法。     

过渡金属盐及络合物在乙苯液相氧化中的催化作用

有机化合物中的C-H键选择性官能团化是有机合成中具有挑战性的课题之一。在不同的氧源(如H₂O₂、NaOCl、TBHP、RCOOOH、O₂等)作用下,许多过渡金属络合物可以选择性氧化有机物[1]。显然,由于分子氧廉价易得并且在氧化过程中对环境没有污染,所以分子氧是氧化反应的最理想的氧源。由于分子氧较难活化以及选择性方面的原因,在温和条件下过渡金属催化的分子氧选择性氧化过程受到了广泛的关注[2]。有关乙苯的液相催化氧化已有一些报道,比较有代表性的有以[W₁₀O₃₂]^4-和 CoC₁₂·6H₂O为催化剂的光催化氧化过程[3,4]、负载型的Ru络合物催化剂[5]以及在己醛存在下以Fe盐或Ru盐为催化剂的氧化过程[6]。本文在温和条件下(常压、110℃), 考察了不同过渡金属盐及络合物在乙苯液相氧化中的催化作用,着重考察了催化反应机理。     

光催化选择性氧化还原体系在有机合成中的研究进展

21世纪,化学研究的一个主要目标是发展一种高效能技术,用于取代那些对环境有害的耗能过程.光催化选择性氧化还原体系的出现和应用极大地满足了人们对能源和环境的要求.在光催化选择性氧化还原体系中,反应发生所需要的条件比传统催化温和,同时它也避免了一些强氧化剂和危险还原性物质的使用,通过优化反应环境可以实现对某种目标产物的高选择性,从而为有机合成提供了一种绿色、节能的途径,成为21世纪最具潜力的绿色有机化学技术.本文重点阐述了光催化选择性氧化还原体系在有机合成领域中的重要进展,并对其存在的问题及相关领域的发展趋势作了展望.     

CdS纳米片与纳米线负载Au25纳米团簇光催化苯甲醇无氧脱氢制苯甲醛反应的研究(英文)

光催化苯甲醇直接脱氢制苯甲醛是一种利用太阳能合成精细化学品的同时生成氢气的节能途径。负载型半导体CdS基催化剂是该反应的一类典型的光催化剂。文献报道CdS的形貌对光催化水分解的性能有明显的影响,但其在光催化苯甲醇无氧脱氢制苯甲醛反应中的形貌效应研究报道极少。本工作合成了纳米片状(NS)和纳米线状(NW)两种不同形貌的CdS,发现CdS-NS表现出比CdS-NW更高的转化苯甲醇的光催化活性,但这两种催化剂对苯甲醛的选择性非常低。通过在CdS-NS和CdS-NW上负载Au₂₅纳米团簇,光催化苯甲醇无氧脱氢制苯甲醛反应的活性和选择性明显提高,并显著减弱了CdS载体的形貌对催化反应性能的影响。以上结果为设计合成精细化学品的高效光催化剂提供了参考。     

葡萄糖氧化制葡萄糖酸的催化剂结构敏感性研究进展（英文）

葡萄糖酸及其衍生物已广泛应用于食品和医药加工生产工业,学术界和工业界对葡萄糖酸的绿色合成非常关注.目前,在工业上采用葡萄糖发酵法来制备葡萄糖酸.尽管经过多年的研究和技术改进,该工艺仍然存在很多问题,诸如废水处理能耗高、酶分离程序复杂等技术难题.因此,开发适应时代发展的高环保和低污染等要求的新工艺方法迫在眉睫.近年来,非均相催化剂已成功应用于催化氧化反应.在葡萄糖催化氧化制葡萄糖酸工艺中, Au,Pt,Pd固载催化剂因展现出优异的性能而被广泛的研究报道.由Au,Pt,Pd等贵金属的双金属催化剂也展现出了更高的活性,因此采用非贵金属作为第二种金属也可降低催化剂成本.在过去十几年中,研究人员致力于探索合成方法/条件、催化剂结构、反应条件等因素对催化剂性能的影响规律,并归纳出葡萄糖氧化得到葡萄糖酸的反应机理,最终寻找到进一步提高催化剂活性和葡萄糖酸的选择性、以及延长催化剂生命周期的科学方法.在诸多研究成果报道中,催化剂粒径普遍被认为是影响葡萄糖氧化反应速率的最主要因素之一.改变合成方法和条件可调控催化剂粒径,如合成方法、配位体种类、合成条件等.本文详细讨论了影响催化剂理化性能的几个因素:(1)在葡萄糖氧化为葡萄糖酸反应过程中,碱性添加剂可以调节反应溶液的pH值,进而调控催化剂性能.但是碱的添加不但造成反应设备的腐蚀,也容易导致催化剂失活,提高了催化剂再生成本.因此,开发出在酸性条件中仍然能展现出高性能的催化剂非常有必要.(2)由于氧气在反应溶液中溶解度较低,限制了产物的收率的提高,因此采用过氧化氢很有可能替代氧气用于葡萄糖氧化过程.(3)减少活性位在催化剂表面的密度,并提高金属活性位在催化剂表面的分散度,可以有效的缓解因催化剂活性位中毒、颗粒烧结、金属浸出、有机物吸附等诸多原因造成的催化剂失活现象.因此进一步研究催化剂合成方法来获得高分散的金属催化剂是非常有必要的.(4)在添加碱和不添加碱的条件下葡萄糖氧化制葡萄糖酸反应的机制是不同的,所以深入研究反应动力学和反应机理,对于催化工艺的开发都具有重大意义.(5)工艺操作条件对葡萄糖酸产率具有显著影响,葡萄糖氧化包含了众多连续-平行反应,生成众多副主产物,因此要弄清楚反应条件对葡萄糖酸产率的影响机制,需要系统和全面的研究.(6)贵金属储量低和价格高等因素进一步限制了提高该工艺方法的经济收益,因此,开发出非贵金属基催化氧化葡萄糖氧化的工艺方法是潜在的重要研究目标和方向.总之,本综述总结了最近5年来非均相催化剂在葡萄糖氧化制葡萄糖酸反应中最新进展,主要讨论了金、铂和钯基的单金属和双金属催化剂性能,同时辅以其他金属催化剂,提出了葡萄糖氧化制葡萄糖酸绿色合成方法的未来机遇和挑战,以期为设计出有效的非均相催化剂,用于催化氧化生物质及其衍生物的反应中.     

单金属双中心Ti-MCM-41分子筛催化剂的光催化性能

 制备了单金属双中心Ti－MCM－41分子筛催化剂，通过XRD、低温N2吸附－脱附、XPS及原子吸收光谱等对催化剂进行了表征．结果表明，单金属双中心Ti－MCM－41分子筛催化剂具有良好的长程有序结构和孔结构，其比表面积大于1000m2／g，孔径分布窄，最可几孔径为2．7nm；Ti的电子结合能为458．6eV，介于骨架Ti（选择性氧化活性中心）和非骨架Ti（光催化活性中心）之间．以H2O2和·OH的生成量为基准，考察了Ti－MCM－41对苯羟化反应的催化性能随光照时间、催化剂用量、加水量、反应温度和空气流速等条件的变化，得出了光催化反应的最佳条件．在无外加氧化剂的情况下，单金属双中心Ti－MCM－41上苯的转化率为0．2％，表明其确实具有一定的光催化性能，可实现光催化－选择性氧化的反应－反应耦合．与骨架取代Ti－MCM－41和MCM－41负载TiO2催化剂相比，单金属双中心Ti－MCM－41的催化活性最高．这主要是由于它既具有光催化活性中心，又具有选择性氧化活性中心．     

正丁烷在金属钼酸盐催化剂上的氧化脱氢

 用柠檬酸盐法合成了第一系列过渡金属(Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu和Zn)及Mg的钼酸盐催化剂,研究 了它们对正丁烷氧化脱氢反应的催化作用. 结果表明,这些钼酸盐催化剂的催化性能受阳离子的影响较大. CoMoO4催化剂具有最高的催化活性和较高的选择性,其催化性能与文献报道的对正丁烷氧化脱氢反应催化性能最好的ZrP2O7和Mg3V2O8催化剂大致相当; MgMoO4催化剂虽然选择性较高,但活性较低; Cr2(MoO4)3上基本没有C4烯烃生成; 其它钼酸盐催化剂对正丁烷氧化脱氢反应的催化活性和对烯烃的选择性都较低. XRD,NH3-TPD和H2-TPR的研究结果表明,催化剂为单一的钼酸盐晶相,催化剂的性能由其氧化还原性决定而与其表面酸量没有直接关系. 通过对产物分布的分析,提出了正丁烷在CoMoO4催化剂上的氧化脱氢反应途径. 在558 ℃,正丁烷发生氧化脱氢生成正丁烯和丁二烯以及氧化燃烧生成CO2三个平行竞争反应的竞争分率分别约为75%,10%和15%. 在正丁烷转化率较高的条件下,产物中的CO2主要来自C4烯烃的再氧化反应,而CO则完全来自C4烯烃的再氧化.     

生物油脂新型环氧化过程及机理研究

以金属有机化合物甲基三氧化铼(MTO)为催化剂, 双氧水为氧化剂新型化学方法合成环氧大豆油. 详细考察了催化剂在双氧水、溶剂和助剂等因素下的催化性能. 研究了该催化体系在其他油脂环氧化中的应用, 环氧产物的选择性在99%以上. 采用红外光谱法(IR)对产品进行表征. 通过紫外-可见分光光度法(UV-Vis)对催化剂的研究, 发现催化剂(MTO)在催化环氧化过程中形成催化中间体, 且催化活性很高. 对催化剂和双氧水相互作用机理及新型环氧化反应的机理进行了初步研究.     

磷钼杂多蓝作为反应控制相转移催化剂

设计合成了第一个由磷钼杂多蓝作为反应控制相转移催化剂的反应体系,用于对环己烯进行催化环氧化,苯甲醇进行催化氧化.在体系中,催化剂以均相的方式催化反应,以多相的方式分离回收.催化剂显示了很高的催化活性和稳定性.在催化氧化苯甲醇的反应中,H₂O₂的利用率为100%,苯甲醛的选择性为100%.