稀土三元催化体系ZnO/SiO2负载化及季铵盐催化CO2与环氧丙烷合成高分子量聚碳酸酯

由环氧丙烷(PO)和CO2交替共聚合成脂肪族聚碳酸亚丙酯,CO2利用率高, 所得产物具有一定的力学性能和生物降解性能, 具有广泛应用前景. 目前, 用于CO2和环氧化合物共聚的催化体系主要包含锌、钴、镉、铬、铝和稀土等金属活性中心, 结构、活性各异的催化剂体系, 其催化性能和产物性能也各具特色. 其中, 稀土三元催化剂(ZnEt2-甘油-三氯乙酸钇)因合成聚碳酸酯产物的分子量高、碳酸酯单元含量高、聚醚及环碳酸酯副产物少的特点而受到关注. 但是由于催化剂催化效率低, 聚合时间长, 产品成本高, 使得工业化规模生产受到限制.本文基于稀土三元催化体系, 将催化剂负载于硅胶及锌改性硅胶, 优化了其制备条件, 同时考察了添加季铵盐对催化CO2/环氧丙烷共聚合成聚碳酸酯性能的影响. 结果表明, 在1 L聚合釜中, 于3.5 MPa和70 oC反应条件下, ZnO担载量及ZnO/SiO2添加量对反应性能均有影响. 当3 wt% ZnO/SiO2的添加量为5 g时, 稀土三元催化体系的活性为4845.2 g/molZn..所得聚合物经过多次纯化处理后, 能够有效提高材料的热学性能, 即有效除去产物中的ZnO对聚合物的热稳定性有重要作用. 添加含有不同阴离子(F- , Cl- 和Br- )的季铵盐可显著影响稀土三元催化剂的活性. 其中, 仅四甲基氟化铵可以明显提高反应活性乃至聚合物分子量. 在3 wt% ZnO/SiO2载体和四甲基氟化铵的协同作用下, 稀土三元催化体系的共聚性能明显提 升, 活性最高可达5223.0 g/molZn. 聚合物结构分析表明, 在载体和四甲基氟化铵存在下, 聚合物分子量明显提高, 可达到20万以上, 分子量分布明显变窄, 且聚合物结构如碳酸酯的单元含量、副产物含量以及聚合物产品玻璃化温度基本不变, 后者均保持在40-41 ?C. 基于此, 我们提出了在ZnO改性硅胶载体及四甲基氟化铵存在下稀土三元催化体系催化CO2/环氧丙烷共聚的反应机理: ZnO/SiO2载体有利于稀土三元催化体系的分散, 而四甲基氟化铵则有利于吸附在ZnEt2上的环氧丙烷开环.     

SiO_2负载Au-Pd双金属纳米颗粒催化甲醇选择性氧化合成甲酸甲酯（英文）

甲醇选择氧化制备甲酸甲酯(MF)是延伸甲醇产业链、开发高附加值下游产品的有效途径之一,负载型Au及Pd催化剂在这一反应中表现出优异的低温催化性能。为探索实用、高效和易再生的甲醇选择氧化催化剂,同时揭示双金属颗粒中Au和Pd的协同效应及甲醇氧化反应机理,本研究制备了一系列二氧化硅负载的Au-Pd催化剂(Au-Pd/SiO2),详细研究了其对甲醇选择氧化制甲酸甲酯的催化性能。结果表明,Au和Pd总负载量为0.6%、且Au/Pd质量比为2时,所制备的Au2-Pd1/SiO2催化剂表现出优异的甲醇氧化催化性能;在130℃下,甲醇转化率达到57.0%,MF选择性为72.7%。多种表征结果显示,Au-Pd双金属纳米颗粒粒径为2-4 nm,高度分散于SiO2载体表面,倾向于生成孪晶结构并暴露(111)晶面,这些因素是AuPd/SiO2具有优异催化性能的主要原因。通过DRIFTS表征研究,提出了一个可能的MF生成机理:即甲醇首先与处于Au-Pd纳米粒子界面的表面氧作用,生成化学吸附的甲氧基;随后,甲氧基经去质子作用生成吸附的甲醛物种,后者与相邻的甲氧基物种亲核反应,并经β-H消除后得到目标产物MF。     

KI与无机铵盐催化CO2与环氧丙烷合成碳酸丙烯酯

以无毒、合成简单、廉价的无机铵盐(氨基甲酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵等)为助催化剂, 研究其对卤化钾(KCl、KBr、KI)催化CO₂与环氧丙烷合成碳酸丙烯酯(PC)的影响. 结果表明, 卤化钾与无机铵盐显示出很好的协同催化效应. 其中以氨基甲酸铵为助催化剂, KI为主催化剂时, 催化合成PC的效果最好. 同时考察了催化剂用量、反应温度、CO₂初始压力、PC的预加入量、反应时间等因素对反应的影响. 在优化条件下, PC收率大于99%.     

CeO_2负载NiCo双金属催化苯酚液相加氢（英文）

采用湿化学浸渍法制备了CeO_2纳米棒负载的CoNi双金属催化剂,并研究了其在150℃, 3 MPa H_2下对苯酚加氢成环己醇反应的催化活性,发现具有合适NiCo质量比的NiCo/r-CeO_2催化剂显示出比单金属催化剂高的催化活性.通过TEM和XRD证明了NiCo合金的形成和高分散性, H_2-TPR和CO_2-TPD揭示了合金中钴和镍之间的电子相互作用导致金属与载体之间的相互作用力发生变化, XPS也表明NiCo合金中Ni和Co的电子态也发生了变化.结合表征结果和双金属催化剂催化苯酚加氢反应的活性,表明添加Co可以调节活性部位的表面性能,进而影响NiCo双金属催化剂在苯酚加氢反应中的催化活性.     

固载型季铵盐离子液体催化合成环状碳酸酯:烷基链长及羟基的影响（英文）

CO_2是造成温室效应的主要原因,同时又是地球上储量最为丰富的可再生C1能源.因此,CO_2资源化受到了广泛关注.CO_2与环氧化物反应可合成环状碳酸酯,后者广泛用作极性溶剂、锂离子电池的电解液和聚碳酸酯中间体等.但是,由于CO_2的化学惰性,其反应需要高活性的催化剂.近年来,碱性金属、金属配合物及离子液体等均相催化剂被用于催化CO_2与环氧化物加成反应.其中,离子液体具有高热稳定性、低挥发性和结构可调性,得到了广泛研究.季铵盐、咪唑盐和季鏻盐等离子液体已经被证实具有较高的催化活性.然而,均相催化剂回收困难,而且产物需要进一步纯化.将离子液体固载化制备成非均相催化剂,可以实现简单的固/液分离.聚合物、SiO_2、SBA-15、氧化石墨烯和羧甲基纤维素等固载化催化剂已经广泛用于CO_2和环氧化物的环加成反应.虽然非均相催化剂显示了潜在的优势,但是催化活性较低的问题仍然亟待解决,尤其是在较温和的反应条件下.因此,通过催化剂分子结构设计以提高催化性能,成为目前的研究热点.本文提出在催化活性基团和载体之间引入长烷基链,增加催化活性位点与反应物的接触面积,同时引入助催化的羟基,通过长链与羟基的协同作用,提高非均相催化剂活性.本文合成了羟基功能化长柔性链季铵化聚苯乙烯微球非均相催化剂([AHTAPC-PS]X,X=Cl,Br,I),用于催化CO_2与环氧化物的环加成反应,并与不含羟基的长烷基链季铵盐离子液体非均相催化剂([TAPB-PS]Br)及短烷基链季铵盐离子液体非均相催化剂([TMA-PS]X)的催化性能进行了对比.考察了固载后的离子液体烷基链长及侧链羟基对催化性能的影响,并通过实验和密度泛函理论计算研究了催化机理.红外光谱、扫描电镜和能量散射谱结果充分证明了季铵盐非均相催化剂的成功合成;热重测试表明,此类催化剂具有可以满足反应需求的热稳定性.密度泛函理论计算结果显示,与短烷基链非均相催化剂相比,长烷基链非均相催化剂的阴离子负电性更强,同时羟基与环氧化合物的氧原子之间存在强的氢键作用.羟基形成的氢键可以增加环氧化物的C–O键长,同时强负电的阴离子更加容易攻击β-碳原子,促进环氧化物开环.另外,长烷基链结构使得卤素阴离子具有与反应物更大的接触范围,因此提高了反应活性.当采用短烷基链季铵盐非均相催化剂时,环氧丙烷(PO)与CO_2环加成反应生成碳酸丙烯酯(PC)的产率仅为70.9%,而采用长烷基链季铵盐非均相催化剂时产率可达91.4%(135°C,1.5 MPa,3 h),进一步加入助催化的羟基,则PC产率可提高到98.5%.此外,含羟基的长烷基季铵盐非均相催化剂在温和条件下也具有较高的催化活性(100°C,1.5 MPa,3 h,PC产率78.4%),该催化剂同时具有较高的循环稳定性(10次循环后,PC产率≥96%,选择性≥99%).综上所述,该催化剂具有优异的综合性能,展现了良好的工业应用前景.     

季铵类离子液体催化熔融缩聚反应合成异山梨醇基聚碳酸酯（英文）

聚碳酸酯是一种性能优良的工程塑料,具有优异的透明性、绝缘性及无毒性等优点.目前实现大规模工业生产的是双酚A型聚碳酸酯,但是其生产原料双酚A具有毒性,限制了其应用.异山梨醇是一种生物基可再生单体,具有无毒、手性和刚性等特性,是双酚A的理想替代品.但是异山梨醇亲水性强,且羟基的活性低,导致碳酸二苯酯和异山梨醇通过熔融缩聚反应合成异山梨醇基聚碳酸酯(PIC)困难,因此选用合适的催化剂成为一个重要因素.目前报道的效果较好的催化剂是无机碱催化剂,这类催化剂催化活性差,容易引发副反应,在产品中残留影响产品质量.离子液体具有环境友好和阴阳离子可设计等优点,是无机碱催化剂的良好替代品.本文设计合成了六种季铵类的碱性离子液体(四乙铵二氰胺盐、四乙铵咪唑盐、四乙铵乳酸盐、四乙铵-1,2,4-三氮唑盐、四乙铵苯甲酸盐和四乙铵乙酸盐),用于催化熔融缩聚反应合成PIC.用核磁共振表征了PIC的结构,用凝胶色谱测定了PIC的分子量,通过对比PIC的重均分子量(Mw)和异山梨醇的转化率,研究了离子液体阴离子对催化剂活性的影响.发现催化活性不仅与离子液体的碱性强弱有关,还与离子液体阴离子的配位强度有关,催化效果最好的离子液体为四乙铵咪唑盐(TEAI).以TEAI为催化剂对合成PIC的条件进行了优化,得到的最优条件为:催化剂与异山梨醇的摩尔比为5×10~(-4),缩聚时间为5 h,缩聚温度为240 ℃.合成PIC的Mw为25600 g/mol,异山梨醇的转化率为92%.由于均聚物PIC分子链刚性大,导致PIC熔体粘度大,不利于聚合,为了降低PIC的刚性和提高分子量,在分子链中引入了柔性基团(脂肪族二醇)来合成共聚碳酸酯(PAIC).以TEAI为催化剂,异山梨醇和脂肪族二醇投料摩尔比为1:1,通过熔融缩聚反应合成了PAICs.利用~1H NMR和~(13)C NMR详细表征了PAICs化学组成和微观结构,发现不同脂肪族二醇的羟基活性不同,合成的PAICs分子链中异山梨醇和脂肪族二醇的比例与投料比有所差异,得到的共聚物为无规共聚物.此外,对PAICs进行了凝胶色谱测试,发现PAICs的Mw与PIC相比均有所提高.通过差示扫描量热仪和热重分析仪对PIC和PAICs进行了热稳定性测试.结果表明,对于不同直链二醇制备的PAICs,随着二醇链中亚甲基数量的增加,其玻璃化转变温度(T_g)逐渐降低,但热稳定性逐渐提高;而对于用1,4-环己烷二甲醇合成的PCIC,其Tg值和热稳定性明显高于直链脂肪族二醇共聚物.这些性能为共聚碳酸酯用作高性能聚合材料提供了可能性.     

冠醚络合高活性双金属氰化物制备及CO_2与环氧丙烷共聚（英文）

首次在共沉淀过程中添加18-冠-6醚络合生成的钾离子得到了均一的高活性冠醚络合的锌-钴双金属催化剂,并用红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、热重红外(TGA-IR)和X射线衍射(XRD)进行了表征.元素分析发现K含量为1.2%.FTIR表明未加冠醚络合的双金属催化剂离心后上下部分呈现不同的络合状态,而冠醚络合的双金属催化剂仍保持均一.SEM表明冠醚络合的双金属催化剂为均一松散的结构.由于生成的钾离子被冠醚络合,不影响聚合反应效果.TGA-IR表明冠醚不仅络合K离子,还参与对金属活性中心的络合.XRD表明此催化剂具有低的结晶度.所制冠醚络合的锌-钴双金属催化剂能成功催化CO2与环氧丙烷共聚,其中CDMC3催化得到的共聚物碳酸酯含量为47.8%,副产物环状碳酸酯为1.5%,催化效率高达5122 g/g催化剂(32600 g/g Zn),明显优于不添加冠醚以同样工艺制备的DMC1(共聚物碳酸酯含量29.2%,副产物环状碳酸酯3.3%,催化效率4100 g/g催化剂(16300g/g Zn).与不添加冠醚8次洗涤离心得到的DMC2相当(共聚物碳酸酯含量48.3%,副产物环状碳酸酯含量2.4%,催化效率5073 g/g催化剂(16400 g/g Zn)).基于此结果提出了两步的反应机理假设.     

SBA-16负载金属氧化物催化剂合成、表征及催化CO氧化反应活性（英文）

将V2O5,CeO2和CuO分散到提取自稻米壳的SBA-16上,考察了其催化CO氧化反应活性,并采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、程序升温还原和紫外漫反射光谱对所制催化剂进行了表征.结果表明,掺杂CuO的介孔氧化硅是一种有前景的催化剂,其CO转化率可达98%以上.     

MoSe2/ZnO/ZnSe复合物用于高效可见光催化还原Cr（Ⅵ）（英文）

半导体光催化还原Cr(VI)为Cr(III)被认为是一种能够解决环境和能源问题的绿色技术.典型光催化剂ZnO和TiO2在还原重金属离子和二氧化碳,降解有机污染物,分解水等领域均已被证明是一种有潜力的光催化剂.但是,它们窄的太阳能吸收范围和快的光生载流子复合限制了其实际应用.因此,探索能够响应可见光的高效光催化剂是非常急切的课题.研究表明,引入窄带半导体构筑异质结复合光催化剂是一种提高ZnO和TiO2可见光催化活性的有效途径.随着二维石墨烯研究的热潮,具有类石墨烯结构的材料,如过渡金属硫化物MX2(M=Mo,W,Nb,Ta,Zr;X=S,Se)以其独特的“三明治夹心”层状结构受到了研究者的高度重视.在这些MX2材料中,MoS2是间接带隙半导体,能带为1.2 eV,并且随着层数的减小,能带增加到1.8 eV,因此,它对可见光具有很好的吸收能力.MoS2具有比表面积大、吸附能力强、反应活性高等优异的物理和化学性能,被广泛应用于光催化、制氢反应、太阳能电池及锂离子电池等领域.类似于MoS2,MoSe2也应该是一种具有潜力的窄带光催化剂.不幸的是,对于MoSe2在光催化还原Cr(VI)中的应用,还鲜有报道.本文基于ZnO,ZnSe和MoSe2构筑复合光催化剂,由于它们存在阶梯型的能级结构,使得此复合物能够展现优异的可见光催化性能,这是一种提高ZnO可见光催化活性的有效方法.扫描电子和高分辨透射电子显微镜结果显示,ZnO和ZnSe纳米颗粒分散在二维MoSe2片周围,形成很好的界面接触,有利于光生电子-空穴对的快速转移和分离,促进光催化反应的进行.紫外可见吸收光谱结果表明,MoSe2/ZnO/ZnSe(ZM)复合物在可见光区域展现了很好的吸收.电化学阻抗谱和光电流响应曲线结果表明,ZM复合物中光生载流子复合被有效抑制,延长了其寿命.光催化还原Cr(VI)的实验结果发现,与纯ZnO相比,ZM复合物展现了优异的光催化活性.在可见光照射180 min后,ZM复合物对Cr(VI)的还原率达到100%.优异的光催化活性归因于其优异的可见光吸收、阶梯型能级结构和光生载流子的有效转移.光催化重复性实验和X射线衍射图结果表明,在光催化反应之后ZM复合物的结构没有发生变化,具有良好的稳定性.本工作可为进一步设计具有理想功能的二维复合光催化剂提供有价值的信息.     

稀土三元/TMAF体系催化二氧化碳与环氧丙烷交替共聚及机理研究

在稀土三元催化体系(三氯乙酸钇-二乙基锌-甘油)中加入相转移剂四甲基氟化铵(TMAF),并用于催化二氧化碳和环氧丙烷交替共聚。采用核磁共振(~1H-NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)、差示扫描量热(DSC)、热重分析(TG)和原位傅里叶转换红外光谱(in situ FT-IR)等对聚合过程和产物结构性能进行表征分析。采用基于密度泛函理论(DFT)的分子模拟方法对聚合起始步骤链增长机理进行探究。研究结果表明:稀土三元/TMAF催化体系可以在不改变聚合特征和共聚物结构性能的情况下,得到高达4 740.6g/mol(1mol Zn催化得到聚合物的质量)的催化活性,且将催化剂诱导期从100min缩短至20min。机理研究表明:环氧丙烷的插入步骤为反应的速控步骤,且该步骤所需克服的吉布斯自由能能垒随模型催化剂活性锌中心的自然成键轨道电荷的增加而降低,环状链增长机理中二氧化碳的插入并返咬成环所需克服的吉布斯自由能能垒很高,进一步证实了二氧化碳和环氧丙烷共聚反应更倾向于遵循链状链增长聚合机理形成聚碳酸亚丙酯。     

MIL-101(Cr)-NH_2负载Pd低温催化糠醛高选择性加氢生成四氢糠醇（英文）

随着资源枯竭和环境污染严重问题的凸显,生物质转化的研究越来越多,特别是生物质催化裂解制备生物燃料及高附加值的化学品.糠醛是一种半纤维素酸解的产物,也是生产糠醇、四氢糠醇、2-甲基呋喃、环戊酮等的重要原料.其中四氢糠醇既可以用于生产其他高附加值化学品,也可以用作生物燃料或者燃料添加剂.虽然Pd/MFI,Ni/SiO_2,Pd-Ir/SiO_2等催化剂均可用于糠醛选择加氢制备四氢糠醇,但是反应通常在高温高压条件下进行.为此我们希望找到一种在温和条件下使用的高效催化剂.MOF多孔材料具有丰富的孔道结构、极高的比表面积、表面可修饰的特点,还可与其他客体发生相互作用,进而影响催化性能.因此本课题组合成了一种含有氨基的MOF材料MIL-101(Cr)-NH_2,进一步利用表面氨基吸附Pd的氯酸盐前体,经还原直接制得负载型催化剂Pd@MIL-101(Cr)-NH_2,并用于糠醛选择加氢反应.本文采用X射线粉末衍射(PXRD)、热重分析(TG)、N2物理吸附-脱附、透射电镜(TEM)等手段表征了所制的MOFs和催化剂.通过将MIL-101(Cr)-NH_2和不同Pd@MIL-101(Cr)-NH_2的XRD谱与标准谱图对比,发现MIL-101(Cr)-NH_2已成功合成,并在催化剂制备过程中和反应之后仍然保持稳定.TG结果表明,所制备MIL-101(Cr)-NH_2在低于350°C时结构不会被破环.MIL-101(Cr)-NH_2的比表面积可达到1669 m~2 g~(-1),孔容达1.35 cm~3 g~(-1),从而为Pd纳米粒子均匀分散在载体上提供了可能性.各Pd@MIL-101(Cr)-NH_2样品的TEM照片我们看出,Pd纳米粒子可均匀分散在MIL-101(Cr)-NH_2上,粒径为3-4 nm.对比实验表明,氨基与金属的相互作用有利于Pd纳米粒子分散均匀.将Pd@MIL-101(Cr)-NH_2用于糠醛选择加氢反应时,在40℃,2 MPaH_2的温和条件下,反应6 h后糠醛完全转化为四氢糠醇其选择性接近100%.表现出比文献报导的更加优异的催化性能.这得益于高度均匀分散的Pd纳米粒子,以及催化剂载体与Pd纳米粒子的配位作用和π-π相互作用.结果还表明当高于80℃反应时,即有副产物生成,进一步提高反应温度会促进环戊酮的生成.可见,Pd@MIL-101(Cr)-NH_2所表现的低温高加氢活性对提高四氢糠醇选择性至关重要.     

SiO_2负载钼催化剂的合成及其催化乙烯二聚、同系化和歧化的反应性能

从单核及双核二甲胺钼络合物出发,制备了SiO_2负载的钼催化剂。程序升温分解实验(TPDE)及红外测试表明,双核钼络合物与SiO_2作用生成双钼中心物种,此物种可催化乙烯的二聚反应。280℃活化后此双钼中心物种变成单钼中心物种,单钼物种只催化乙烯的同系化及歧化反应。     

非金属催化剂在催化环氧化物和CO_2合成环状碳酸酯中的研究进展（英文）

随着科学技术的进步和工业化的发展,大量化石燃料被消耗,大气中二氧化碳浓度急剧增加,导致温室效应加剧,严重威胁到人类的生存和发展.基于可持续发展的思想,利用储量丰富且廉价的二氧化碳作为C1资源替代有毒的气体(如一氧化碳和光气等)制备具有广泛应用的环状碳酸酯,不仅满足绿色化学的要求,而且符合原子经济性的原则.迄今为止,大量用于催化二氧化碳和环氧化物环加成反应合成环状碳酸酯的催化剂,包括均相催化剂(如金属卤化物、有机碱、离子液体和金属配合物),多相催化剂(如金属氧化物、负载型催化剂、有机聚合物、金属有机框架材料和碳材料等)被报道.其中金属催化剂占主导地位,大多表现出优异的催化活性.然而,目前可供开采的金属矿越来越少,大多数金属的回收再利用率较低,重金属污染日趋严重.因此,开发新型、廉价、绿色、高效、循环性和稳定性好的非金属催化剂具有重要意义.本文主要介绍了近3年以来用于催化二氧化碳和环氧化物环加成反应合成环状碳酸酯的非金属催化剂,主要包括有机碱、离子液体、固载型催化剂、有机聚合物和碳材料等.概括了不同种类催化剂的设计思想及其催化反应机理,重点阐述了分子内以及分子间各种功能基团的协同作用对环加成反应的影响.通过比较发现,具有C–N=C结构的有机碱活性相对较高,氢键给体和亲核物质都能与有机碱协同作用提高其催化活性;传统离子液体的活性一般不理想,氢键给体如羟基和羧基的引入有利于促进环加成反应,且多阳离子和多氢键给体功能化的离子液体表现出更高的催化活性;负载型催化剂中,载体和活性组分之间的协同作用有利于加速环加成反应的进行,多种功能基团负载和以共价键方式多层固载能更好地提高催化剂稳定性和催化活性;利用非烯烃化合物制得的活性组分位于主链的多孔有机聚合物,催化活性和稳定性大多高于活性组分位于侧链的烯烃聚合物;碳材料催化剂中,引入不饱和的N物种(如伯胺和吡啶氮),有利于CO_2的吸附和活化,能促进环加成反应.此外,利用密度泛函的方法,计算模拟催化反应过程,能更好地揭示反应机理,并为设计和制备高效的催化剂提供理论指导.该领域目前面临的重要挑战是研发可以同时实现二氧化碳捕获和转化的新型、环保和高效非金属催化剂,终极目标是利用多孔催化材料在常温和常压下直接捕获工业废气中的二氧化碳,并利用捕获的二氧化碳实现环状碳酸酯的连续生产.基于协同催化的设计思想,利用多种基团功能化的策略合成高效吸附和活化二氧化碳以及开环活化环氧化物的非金属催化剂,有望实现上述目标.     

碳酸乙烯酯选择加氢合成甲醇与乙二醇高效稳定Cu/SiO_2催化剂研究（英文）

CO_2作为重要的碳氧资源,具有来源丰富、价格低廉、安全等突出优点.近年来,由于蕴含的巨大利用潜力,CO_2间接利用制备基础化学品、能源燃料对于可持续制备大宗化工品中具有重要研究意义,日益受到研究者和工业界的广泛重视.甲醇与乙二醇是化学工业中的两种重要大宗原料.甲醇不仅是重要的有机化工原料、清洁环保的液体燃料,同时也是氢气和能量储存的良好载体.乙二醇作为一种重要的有机化工原料,在聚酯等领域具有广泛应用.CO_2经碳酸乙烯酯氢解制备甲醇/乙二醇是典型的原子经济反应,对资源、能源和环境的可持续发展具有重要意义.需要指出的是,CO_2与环氧乙烷环加成制备碳酸乙烯酯已具备成熟的工业化技术.因此,该路线研究重点在于发展碳酸乙烯酯选择加氢联产甲醇和乙二醇高效稳定的催化体系.近年来,铜基多相催化剂催化碳酸乙烯酯加氢联产甲醇乙二醇得到了广泛重视.由于铜基催化剂存在活性较低、高温易失活等问题,开发高效且具有良好稳定性的铜基催化剂是目前碳酸乙烯酯加氢研究重点.本文针对碳酸乙烯酯选择氢解合成甲醇乙二醇新型铜基催化体系构建和构效关系研究,采用硅溶胶蒸氨法制备高分散Cu/SiO_2过程中引入多羟基β-环糊精修饰催化剂前驱体的合成策略,并通过惰性气体中煅烧后的积碳有效抑制活性铜物种的团聚,获得了β-环糊精改性的Cu/SiO_2催化剂.通过N_2吸脱附、XRD、N_2O滴定、H_2-TPR、TEM和XPS等系统表征,发现β-环糊精可有效调控催化剂结构和表面不同价态活性铜物种分布.碳酸乙烯酯加氢性能评价结果表明引入适量β-环糊精的5β-25%Cu/SiO_2具有较优催化活性,乙二醇选择性98.8%和甲醇选择性71.6%,且相应的催化活性可达1178 mgEC g_(cat)~(–1) h~(–1).高活性的原因很可能归因于不同价态Cu~0与Cu~+物种协同催化作用及适宜的Cu~+/(Cu~0+Cu~+)比例.结合密度泛函理论模拟计算,我们提出了Cu~0促进氢气解离、Cu~+吸附活化碳酸乙烯酯分子中酯羰基的反应机理.催化剂重复使用和表征结果表明,5β-25%Cu/SiO_2具有良好的稳定性,使用前后铜粒子大小和铜物种分布几乎未发生明显变化.本文为解决铜基催化剂高温易烧结等难题提供了简单有效的活性铜物种稳定化方法,并为CO_2经碳酸乙烯酯绿色合成甲醇、乙二醇高效稳定铜基催化新体系的构筑提供了有益借鉴.     

亚微米ZSM-5负载Cr催化剂上乙烷CO_2气氛下脱氢制乙烯（英文）

石油资源的日趋短缺使天然气和页岩气的开发利用受到重视,因而低碳烷烃脱氢制取低碳烯烃也随之引起了人们越来越多的关注.由于乙烷纯脱氢反应的平衡收率低,能耗高,而氧气氧化脱氢又易将乙烷深度氧化为CO2或CO,因此开发具有反应条件温和、装置投资和操作费用低等优势的CO2气氛下乙烷脱氢的技术路线日益得到重视.CrOx是该反应理想的催化剂之一,CO2的加入可使CrOx对乙烷脱氢的催化活性提升3倍,然而受困于CrOx过小的比表面积,通常将CrOx制备成负载型催化剂使用.CrOx的常见载体有Al2O3,Zr O2和Si O2等氧化物及MCM-41,SBA-15,SBA-1和MSU-x等介孔硅材料,ZSM-5作为载体负载CrOx用于低碳烷烃脱氢的研究则较少,所得结果也不甚理想.我们采用亚微米尺寸的ZSM-5作为载体制备了负载型Cr O x催化剂,研究了其在CO2气氛下催化乙烷脱氢反应,发现该催化剂具有非常优异的脱氢活性,高硅铝比和Na型的ZSM-5作载体对反应更加有利,而且在反应进行50 h后,催化剂依然保持很好的活性和很高的乙烯收率,这是在一般负载型CrOx催化剂上所不能实现的.X射线光电子能谱(XPS)表征发现,Na型ZSM-5载体制得的催化剂具有更高的Cr6+/Cr3+比.一般认为,Cr6+是Cr系催化剂进行低碳烷烃脱氢反应时的活性位(或活性位前驱体),因此可以初步判定,Na型载体具有很好催化效果的原因可能是由它制得的催化剂具有更多的反应活性位.程序升温还原(H2-TPR)表征结果证实了这一点,Na型载体明显具有更高的H2消耗量;也就是说,Na型载体制得的催化剂具有更多的可还原Cr物种,即脱氢活性位.进一步表征发现,反应活性还与Cr物种存在形式有关.文献报道,低聚态的Cr物种和孤立态的Cr物种比Cr2O3有更好的催化活性.通过漫反射紫外-可见光谱(UV-Vis)对Cr物种的存在形态进行表征后发现,Na型载体上Cr主要以四配位形式存在,而在H型载体上出现了对应于六配位的Cr物种;激光Raman表征结果表明,Na型载体上出现的都是低聚态Cr物种和孤立态Cr物种,而H型载体上出现了明显的对应于α-Cr2O3的峰,说明相较于H型载体,Na型载体更有利于Cr组分分散,这也是Na型ZSM-5载体催化剂具有更高活性的原因之一.CO2引入后对乙烷脱氢反应具有明显的促进作用,特别是在CO2/C2H6=5时,催化剂上C2H6转化率是非CO2气氛下的3.2倍;同时,CO2的引入也提高了脱氢反应的稳定性.在非CO2气氛下,反应进行6 h后,C2H6转化率降低到初活性的60%左右,而在CO2/C2H6=5时,相同时间内催化剂活性下降仅有5%左右.实验分析了CO2对脱氢反应具有促进作用的原因.在脱氢反应温度650o C下,CO2/H2=1时进行了逆水煤气反应测试,发现CO2的转化率达到22.5%,说明引入CO2后可以通过逆水煤气反应有效地消耗掉乙烷脱氢反应生成的H2,从而促进反应向脱氢方向进行;CO2的引入也可以促进Cr物种的CrOx/CrOx-1循环,从而提高催化剂效率,减缓催化剂失活;CO2还可与反应中生成的积碳类物质发生Boudouard反应,将反应活性位暴露出来,从而提高催化剂的稳定性.CO2气氛下反应6 h后催化剂的积碳量为3.0%,低于非CO2气氛下的3.4%,同时在脱氢反应中生成的CO量与消耗掉的CO2量的比值约为1.4,也有力地说明Boudouard反应的存在.     

基于FeWO_x/SiO_2载氧体的甲烷化学链部分氧化反应（英文）

甲烷具有价格低廉且储量丰富的优点,因此将甲烷转化为合成气(一种H_2:CO为2的混合物),从而进一步合成有价值的化学品和液体燃料引起了人们的极大关注.化学链甲烷部分氧化(CLPOM)技术能避免甲烷与空气直接接触而引起爆炸的危险,可以降低后续对合成气与氮气分离操作所带来的费用,因此日益受到关注.CLOPM过程主要分为两步:第一步,CH_4被载氧体所携带的氧部分氧化,载氧体被还原;第二步,利用氧化剂(例如空气)将被还原的载氧体再氧化恢复.因此,载氧体在CLOPM过程中起到至关重要的作用.载氧体的选择主要存在两个问题:(1)甲烷被活化所产生含碳产物的能力与晶格氧的给氧能力不匹配所带来的严重碳沉积;(2)金属离子间扩散速率不匹配而造成载氧体在氧化还原过程中结构的不可逆变化.基于上述两个问题,本文设计了FeWO_x/SiO_2载氧体用于CLPOM.与未改性的WO_3/SiO_2载氧体相比,甲烷的转化率和合成气的收率都有显著提高.FeWO_x/SiO_2在900°C、1 atm反应条件下表现出62%的甲烷转化率、93%的CO气相选择性、94%的H_2选择性和2.4的H_2/CO比值,同时在50个循环中表现出优异的催化活性和稳定性.本工作利用CH_4脉冲反应研究了FeWO_x/SiO_2的甲烷表面反应过程;采用CH_4-TPR和H_2-TPR相结合探究了甲烷活化速率与晶格氧扩散速率之间的关系;通过XPS和XRD对FeWO_x/SiO_2在氧化还原过程中的结构稳定性进行了探讨.综合上述实验结果,对FeWO_x/SiO_2应用于CLPOM的反应机理进行了阐述.H_2-TPR结果表明,在FeWO_x/SiO_2中,相较于Fe_2O_3/SiO_2,Fe-O的活性受到抑制,使其更倾向于与甲烷发生部分氧化反应;相较于WO_3/SiO_2,W-O的活性得到明显提升,因此更多的晶格氧可以参与到部分氧化反应中来氧化积碳,从而使合成气收率大幅度提升.从CH_4-TPR结果可以看出,对于FeWO_x/SiO_2,CO与H_2的生成温度最接近,意味着晶格氧的传输速率较快并且能够与甲烷活化产生含碳中间物种的速率相匹配,将其及时氧化生成CO,避免由于积碳造成的催化剂失活.结合XPS和XRD结果可以得出,在甲烷还原过程中,FeWO_x经历一步还原形成Fe-W合金,由于其间存在强相互作用,因而抑制了还原过程中催化剂相分离现象的发生.同时,根据铁钨离子在空气条件下扩散速率的公式计算可以得出,其相近的离子氧化速率也保证了在氧化过程中催化剂结构的稳定性.本工作为进一步构建用于甲烷化学链部分氧化制合成气的复合金属氧化物载氧体提供了研究思路.     

等离子体辅助法合成α-Si_3N_4/SiO_2纳米梳（英文）

晶体的α-Si3N4内核和非晶的SiO2外壳组成的纳米梳通过简单的直流电弧方法合成。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微术(SEM)、透射电子显微术(TEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)等对纳米梳进行表征。纳米梳的光致发光谱展现了两个强的发光峰,分别在450和511 nm。α-Si3N4/SiO2核壳结构纳米梳生长机制为等离子体辅助气-固生长机制。     

氟催化废弃硅基还原剂与CO_2还原转化反应（英文）

CO_2是最重要的可再生碳源之一.为了将CO_2转化为有用的有机化合物,我们研究了二种模型硅基"废"材料—乙硅烷和硅粉的反应活性.在这些反应中,氟盐的催化活性最高,在常压、在质子源水和硅基还原剂的存在下,CO_2可转化为甲酸.原位NMR和动力学分析表明,含氢硅烷和五配位的硅物种分别是反应中间物和活性物种.     

硼氢化稀土-二乙基锌-甘油三元体系催化环氧丙烷与 CO2 共聚反应

 由硼氢化稀土、二乙基锌和甘油制备了三元体系 Ln(BH₄)₃•3THF-ZnEt₂-Gly (甘油) 用于催化环氧丙烷 (PO) 与 CO₂ 共聚反应, 详细考察了催化剂组成、不同稀土元素和溶剂性质对聚合反应的影响. 通过正交试验优化的催化剂组成和聚合条件为: Y(BH₄)₃•3THF-ZnEt₂-Gly (摩尔比 = 3:60:20) 催化剂, 乙二醇二甲醚溶剂, PO/Y 摩尔比 1000, [Y] = 6.67 mmol/L, p(CO₂) = 3.0 MPa, 80^oC, 6 h. 最高催化效率可达 4908 g /(mol•h); 碳酸酯含量为 95.7%, 数均分子量为 6.97x10⁴.     

利用ZnO@ZIF-8核壳结构构建高选择性、高稳定性的Pd/ZnO催化剂用于CO_2加氢制甲醇（英文）

近年来由于环境问题CO_2加氢制甲醇催化反应重新回归为研究热点。对于Pd/ZnO催化剂,研究表明PdZn合金相是制甲醇反应的活性中心,而单独Pd利于CO生成。为了实现Pd和ZnO的充分接触,本工作以一种ZnO@ZIF-8核壳型结构为载体负载Pd纳米颗粒后经由高温煅烧制得PZZ8-T催化剂(T为不同煅烧温度),同时制备了ZnO纳米棒负载Pd的PZ催化剂作为对比。在随后的CO_2加氢反应中,相比于PZ,PZZ8-T展现出极高的甲醇选择性。之后我们通过一系列表征探究了催化剂的构效关系,发现催化剂的甲醇选择性与表面Pd的化学态有关,更多的Pd以PdZn合金的形式存在将会带来更高的甲醇选择性。XPS O 1s谱图和EPR分析表明CO_2的活化与催化剂表面的氧空穴和ZnO极性面含量直接相关。而化学吸附手段进一步对Pd-ZnO界面进行了表征,揭示了其与CO_2转化速率的关联。本工作的意义在于,一是展现了利用新材料制备更优的传统催化剂的方法,二是通过表面分析手段加深了对催化剂构效关系的理解。