基于氮,膦配体多孔有机聚合物材料的设计合成及其催化应用

多孔有机聚合物(porous organic polymers,POPs)是近年来涌现出的由纯粹的有机分子砌块,通过共价键连接而成的一类具有高比表面积、丰富的孔结构、低骨架密度和良好热稳定性的新型材料。而N,P配体在均相过渡金属络合物催化的氢甲酰化反应、偶联反应、加氢反应、硅氢加成反应,CO2环加成等反应中具有重要的应用,通过合理的设计和修饰N,P配体的电子效应和立体结构,可有效地调控目标产物的收率和选择性。得益于有机合成策略的多样性,POPs材料也具有合成路径及构建方式多样,可较为方便地在聚合物骨架中定点引入特定功能位点的特点,这为基于N,P配体均相过渡金属催化剂的多相化提供了全新的思路与契机。本文将对国内国外相关课题组及本课题组在基于N,P配体POPs材料的设计合成及其催化应用方面所做的工作进行简要的总结归纳,并对该方向进行相应的工业应用前景展望。     

基于酸促进的单原子活性位点Ir-La-S/AC催化剂在甲醇羰基化中的应用（英文）

甲醇羰基化是世界上重要的均相催化反应之一.无论是Rh或者Ir体系,虽然碘甲烷的引入会带来腐蚀问题,但是绝大多数的甲醇羰基化反应过程都需要碘甲烷作为助催化剂才能有较好的活性.多年来人们在不断研究非均相羰基化过程(即均相多相化),以避免均相中间歇生产和产物分离的缺点.其中Ir体系的非均相羰基化报道很少,值得关注的是Eastman公司将Ir-La/AC体系成功地应用于非均相的甲醇羰基化过程.基于此,本文试图引入硫元素以提高Ir-La/AC催化剂的羰基化活性,即将含有La和Ir前驱体的硫酸溶液通过共浸渍法制备了高活性的Ir-La-S/AC催化剂,评价了该系列催化剂的性能,并进行了深入的表征.Ir-La-S/AC催化剂的TOF最高可达2760 h~(-1),远远高于Ir-La/AC催化剂1000 h~(-1).HAADF-STEM的结果表明,Ir-La-S/AC催化剂中Ir物种绝大多数处于单分散状态,而Ir-La/AC催化剂中的Ir物种为平均粒径为1.5 nm的纳米颗粒状态,说明Ir-La-S/AC催化剂中Ir的使用效率要远远高于Ir-La/AC.其次,NH3-TPD的结果显示在制备过程中硫酸的加入使催化剂的酸性位点大幅度增多,而酸性位可以加速Ir体系机理中CO插入这一决速步骤.目前普遍认为,Ir~+物种为甲醇羰基化的活性中心,故通过TPR和原位XPS测试证实了Ir-La-S/AC催化剂比Ir-La/AC中的Ir物种在通过CO/H_2=10:1混合气活化后更容易还原到Ir~+,而且这又说明在Ir-La-S/AC催化剂中更易发生Ir~(3+)物种还原消除为Ir~+物种且同时产生酰基碘(AcI)这一重要循环步骤.所以Ir-La-S/AC催化剂具有更多的酸促进位点,更高的Ir分散度和更多的Ir~+活性物种.此外,Ir-La-S/AC催化剂的羰基化活性在66 h之后才趋于稳定(1660 h~(–1)),通过XRF测试发现该过程中有少量的硫流失,而大部分剩余的硫比较稳定的存在于催化剂表面,且通过ICP-MS结果显示Ir和La没有明显的流失,因此66 h之前活性下降主要是由于部分S的流失,而不是金属物种Ir和La流失造成的.总之,我们成功地制备了一种硫促进的双功能Ir-La-S/AC催化剂,这种方法不仅减轻了由液体酸带来的环境污染和设备腐蚀,同时避免了液相铱体系催化剂的循环使用问题.     

活性炭担载的铂催化剂在碱性条件下选择性氧化甘油制备乳酸

生物柴油是一种环境友好的燃料,随着其生产及应用的快速增长,其生产过程中重要的副产物甘油将会大量过剩.因此,将甘油转化为高附加值的化学品对于提高生物柴油整体竞争力具有重大意义.乳酸是重要的化工原料,可用于制备生物兼容和可降解的聚乳酸塑料,广泛应用于食品和医药等领域.近年来,由甘油制乳酸的研究受到格外关注,相对于水热反应和氢解反应等,催化选择氧化反应因温和的反应条件而更具竞争力.
　　目前,甘油催化选择氧化制乳酸一般需加入较高比例的NaOH,而碱的类型对反应性能的影响鲜有报道.另外,催化剂常采用TiO2和CeO2等氧化物载体,而炭载体具有比表面积较大、在酸碱溶液中稳定及贵金属易于回收等优点,在催化领域有着广泛应用.因此,本文研究了活性炭(AC)担载的Pt催化剂在甘油催化选择氧化制乳酸反应中的催化性能.
　　首先研究了Pt/AC催化剂和碱在甘油催化选择氧化制乳酸过程中的催化作用.实验发现, Pt/AC和碱协同作用才能得到乳酸. Pt/AC催化剂在甘油脱氢生成中间产物(甘油醛和二羟基丙酮)的过程中起主导作用,碱的存在能够促进甘油羟基脱氢;中间产物实验证实,中间产物生成乳酸过程中碱起主导作用,它促进甘油醛和二羟基丙酮脱水反应和坎尼扎罗重排反应获得乳酸.进一步研究发现,中间产物二羟基丙酮比甘油醛更有利于乳酸生成,而Pt/AC催化剂有利于中间产物氧化为甘油酸.
　　进一步研究了不同类型的碱对反应性能的影响.结果表明,碱金属氢氧化物(LiOH, NaOH, KOH)比碱土金属氢氧化物(Ba(OH)2)更有利于提高甘油转化率和乳酸选择性.在加入碱金属氢氧化物条件下,甘油转化率与其离子半径呈正相关,而乳酸选择性则呈相反趋势.在LiOH存在下,乳酸选择性明显高于NaOH和KOH条件.当LiOH：甘油摩尔比为1.5时,甘油转化率和乳酸选择性均最高.在较低的LiOH与甘油摩尔比时,随着反应的消耗,溶液中的OH–减少,其促进甘油脱氢的作用变弱,并且不利于中间产物进行坎尼扎罗反应,故反应活性和乳酸选择性较差;而当LiOH比例过高时,会导致溶解氧浓度迅速降低,从而使甘油转化率和乳酸选择性下降,同时副产物甘油酸的选择性有所提高.这可能是因为较高比例的碱会促进中间产物甘油醛生成,该中间产物在Pt/AC催化作用下发生进一步氧化反应生成甘油酸.
　　研究了反应时间对催化性能的影响.结果表明,反应6 h后,甘油已经完全转化,乳酸选择性最高,达到69.3%;进一步延长反应时间,乳酸选择性有所下降,而副产物乙酸选择性略有增加,这可能是部分乳酸分解所致. Pt/AC催化剂经5次循环使用后仍保持了较高的甘油转化率和乳酸选择性.     

醇预处理载体制备的 Ir-Re/SiO2催化剂上甘油氢解反应

甘油是生物柴油的副产物,将其转化为高附加值的化学品,能提高生物柴油产业的经济性.1,3-丙二醇是聚酯和聚氨酯的单体,也用于合成医药和用作有机合成中间体,甘油直接催化氢解反应制1,3-丙二醇极具发展潜力.另外,甘油是生物质转化的重要平台分子之一,与目标产物的分子结构相比较,生物质平台分子通常含有过多的含氧基团,尤其是多余的羟基,通过甘油氢解反应研究多羟基的选择性活化和脱除,可以加深对生物质脱氧规律的认识.因此,研究甘油氢解反应制1,3-丙二醇催化剂和工艺,不仅具有潜在的应用前景,而且具有重要理论价值.然而,目前的甘油氢解催化剂性能还不够高,我们希望通过一些表面改性的方法处理载体硅胶,从而改变金属前驱体与载体表面的作用.因此,本文使用 C1–C4的正构醇处理硅胶载体,其负载的 Ir-Re催化剂上甘油氢解反应转化率从42.7%提高到59.5%,仲羟基脱除收率从21.6%提高到28.3%.研究发现,当处理载体所用正构醇的碳数从1增加到3时,对应催化剂上甘油转化率逐渐增加至最高;但当使用更正丁醇时,对应催化剂上甘油转化率下降.为了探究催化剂活性改变的原因,我们首先采用红外光谱(FT-IR)和氮气物理吸附确定烷氧基基团嫁接到硅胶载体上.程序升温还原结果发现,预处理载体相应的催化剂开始还原温度降低,表明在这些催化剂上形成了颗粒尺寸较小的Ir粒子. X-射线衍射分析发现,在新鲜的和使用后的催化剂上均未检测出Re物种的衍射峰,说明Re高度分散于催化剂表面.吸附吡啶的FT-IR结果表明,未处理和丙醇预处理硅胶负载的催化剂上均没有强酸位,它们的B/L酸比值相近,约为3.3.催化剂的吸附COFT-IR结果表明, CO线性吸附于Ir/SiO2催化剂上的主要吸收峰位置在2084 cm–1;而Re的加入使得该吸收峰红移,表明Ir和ReOx物种之间存在相互作用.透射电镜(TEM)、H2-程序升温脱附和NH3-程序升温脱附结果发现,醇预处理催化剂上具有更多的Ir-ReOx界面,而界面位点的数量与甘油转化率大小一致,表明Ir-ReOx位点可能就是甘油氢解的活性中心.反应后催化剂的TEM结果表明,醇预处理催化剂上的Ir颗粒要小于未处理催化剂的,其中丙醇预处理硅胶负载的催化剂上Ir粒径最小.这是由于醇处理催化剂上存在很多孤立的Si–OH,它们与金属前驱体相互作用有利于形成较小的金属颗粒.这些孤立的Si-OH则是由于表面烷氧基基团的隔离作用所形成的.当处理载体所用正构醇的碳数从1增加到3时,烷氧基的碳链变长,分隔作用越好,阻止金属前驱体聚集的程度越强,因而Ir物种和Re物种的分散度增加.但是当处理醇的碳数增加到4时,形成的表面烷氧基基团可能阻止了Re物种和Ir物种间相互作用,从而使得Ir和Re物种的分散度均降低,相应催化剂活性随之降低.     

甲烷直接芳构化反应的研究Ⅰ.负载Mo基催化剂在无氧条件下催化性能

研究了催化剂制备方法，Ｍｏ含量，预处理条件和反应条件对无氧条件下ＨＺＳＭ－５负载的Ｍｏ基催化剂上甲烷直接芳构化反应的影响，及积炭和烧炭再生对催化剂性能的影响，发现Ｍｏ含量为３．５～４％时催化剂活性最高，生成苯的速率高达１．２×１０＾－３ｍｏｌ．ｇ＾－１．ｓ＾－１，降低空速和提高反应温度均有利于甲烷的直接芳构化，随着反应的进行，乙烯的选择性不断提高，苯的选择性则不断降低，ＸＰＳ结果表明，反应后催化剂     

掺杂ZrO＿2的Pt／Al＿2O＿3表面氧性质及一氧化碳氧化性能研究

用ＴＰＤ－ＭＳ、ＴＰＳＲ－ＭＳ及ＣＯ氧化活性测定等方法研究了Ｐｔ／Ａｌ２Ｏ３和掺杂超细ＺｒＯ２的样品的表面氧脱出－恢复性能、ＣＯ表面氧化性能及催化氧化性能．结果表明，在Ｐｔ／Ａｌ２Ｏ３中掺杂ＺｒＯ２后，样品表面上的氧物种脱出和氧化恢复性能明显提高，脱氧量也明显增大；并发现在ＣＯ－ＴＰＳＲ过程中程脱物ＣＯ２的脱附量大小及峰顶温度次序与对ＣＯ的催化氧化活性也有一致的关系     

改善Rh基催化剂上CO加氢生成C2含氧化物性能的本质及途径

 从CO加氢反应的热力学出发,分析了C2含氧化合物生成反应的途径和机理,阐述了改善Rh基催化剂上生成C2含氧化合物性能的本质以及实现的途径. 结果显示,相对于CO加氢生成烃类的反应,乙醇、乙醛和乙酸等C2含氧化合物的生成在热力学上是极为不利的; 最重要、最有效的提高C2含氧化合物生成活性的手段是开发具有高选择性的催化剂. 通过对浸渍方法和还原条件的选择,适当地抑制了Rh-Mn-Li-Fe/SiO2催化剂加氢活性,最终改善了催化剂的加氢性能,使得甲烷选择性降至6.3%, 而生成C2含氧化合物的选择性达到91.6%, 且保持有较高的时空收率.     

乙烯直接氧化制醋酸的研究 Ⅰ.Pd-Ru/杂多酸双金属催化剂上的催化性能

 考察了Pd－Ru／HPA双金属催化剂对乙烯直接氧化制乙酸反应的催化性能,以及原料气配比、反应物空速、反应压力和温度等对反应的影响．在原料气配比为V（C2H4）∶V（air）∶V（steam）＝55∶22∶23,反应物空速为4000h－1,反应压力为1．4MPa,反应温度为150～160℃时,乙烯直接氧化制乙酸反应的时空收率高达480g／（L·h）．     

合成气直接制C2含氧化合物Rh基催化剂中金属-助剂(载体)界面的构建

由煤、天然气或生物质经合成气直接制取乙醇等C₂含氧化合物可以替代传统的石油和粮食路线，其意义重大。负载型助剂促进的金属Rh是实现该过程最有效的催化剂，其中Rh-助剂（载体）接触界面是发生目标反应的活性位，其面积的大小直接决定了该催化剂的性能，因此，近些年来人们尝试多种物理或化学方法来改进Rh基催化剂的制备过程，以最大化金属-助剂界面。我们简要介绍和评述了涂覆法、形成复合氧化物或合金、强静电吸附法、控制表面反应法和原子层沉积法等的原理、过程以及优缺点。通过结合上述合成方法，可制备出均一分布的、界面活性位结构确定的催化剂。