Cs/ZSM-35 分子筛催化甲缩醛和乙酸甲酯发生一步法羟醛缩合反应

丙烯酸及其酯是重要的化工原料, 广泛应用于涂料、粘结剂、纤维等领域, 目前工业上常采用丙烯两段氧化法进行制备. 然而该方法以石油基原料丙烯为源头, 采用 V/Mo/Bi 等金属催化剂, 不符合可持续发展理念, 且存在环境污染及氧气下产物易过度氧化等问题. 因此, 如何高效、安全、大规模工业化制备丙烯酸及其酯是研究者追求的目标. 以乙酸甲酯(MAc) 和甲醛为原料, 通过羟醛缩合一步制备丙烯酸及其酯是一条完全不同于丙烯氧化法的合成路径, 原料均可由煤基甲醇得到, 符合我国"富煤、贫油、少气"的基本能源结构, 且该方法碳原子利用率为 100%, 副产物仅为水, 属于绿色环保合成路径.羟醛缩合是典型的碳链增长反应, 可在酸性催化剂、碱性催化剂、以及酸碱双功能催化剂存在下发生. 碱性催化剂一般为负载型碱金属氧化物, 例如以 SiO2为载体的负载型 Na, K, Cs 氧化物催化剂等, 但都存在活性组分流失的问题, 进而导致催化剂的失活, 难以实现工业化. 酸碱双功能催化剂是目前研究的热点, 由于具有酸催化剂的高选择性和碱催化剂的高活性, 其反应性能要远优于单一酸性催化剂和单一碱性催化剂, 广大研究者对此进行了深入广泛的研究, 目前基本处于实验室阶段. 相对而言, 目前酸性催化剂上通过羟醛缩合反应制备丙烯酸及其酯的研究工作较少, 特别是以固体酸为催化剂进行乙酸甲酯和甲醛气固相反应研究非常少见.我们以甲缩醛为甲醛源, 创新性地采用固体硅铝分子筛为酸性催化剂, 催化甲缩醛 (DMM) 和 MAc 发生羟醛缩合反应来制备丙烯酸. 硅铝分子筛具有较高的活性, 可高效地催化羟醛缩合反应, 且由于分子筛催化剂具有很好的再生性能, 即使催化剂寿命较短, 也可采用流化床或移动床等反应器进行工业化, 因此存在良好的工业化前景. 为了进一步深入研究酸性位和碱性位各自对 DMM 和 MAc 羟醛缩合反应的影响, 本文以 HZSM-35 分子筛为载体, 采用浸渍法制备不同碱金属铯氧化物含量的催化剂, 利用氮气吸附/脱附方法和化学程序升温 (NH3-TPD) 方法对其孔结构和酸性质进行表征, 并进一步考察催化剂的性能. 结果表明, 微孔体积随着碱金属 Cs 负载量的增加而逐渐减小, 当 Cs 负载量增加至 10 wt% 时, 样品微孔体积从初始 0.105 cm3/g 降至 0.063 cm3/g. NH3-TPD 结果显示, 当 Cs 负载量为 1 wt%, 酸性催化剂载体上的强酸和弱酸活性位被大量碱性氧化物占据; 当负载量超过 5 wt% 时, 所有的酸性位均被覆盖. 随后考察负载不同碱金属含量分子筛的羟醛缩合反应性能, 发现碱金属氧化物的引入不利于羟醛缩合反应的进行, 这主要是由于作为甲醛源的 DMM 只有在酸中心上才能进行分解产生甲醛, 促使羟醛缩合反应顺利进行. 当采用 DMM 为甲醛源时, 体系中必须有酸性位存在. 同时得知, 分子筛 HZSM-35 中强酸和弱酸均是羟醛缩合反应的有效酸性位, 但强酸同时催化原料发生类甲醇制烯烃过程, 致使大量烃类副产物生成, 产生较重的积炭物种. 羟醛缩合反应在含有大量弱酸催化剂上 (如γ-Al2O3) 也可顺利进行, 且具有较高的活性和稳定性.     

研究固体微结构的X射线粉末衍射全谱图拟合方法

Ｘ射线粉末衍射全谱图拟合的Ｒｉｅｔｖｅｌｄ方法是一种有效的晶体结构和微结构的分析方法。本文介绍了Ｘ射线粉末衍射全谱图拟合的Ｒｉｅｔｖｅｌｄ方法的基本原理,综述了该方法中的线形分析、校正及其在晶体结构分析、微结构分析、相定量分析和衍射图谱指标化等方面应用的最新进展。文章最后介绍了在实验方案选取方面的新概念     

鸟巢状氧化镁球形材料的合成、表征及催化性能

将硝酸镁和碳酸钾溶液在沸腾的条件下反应,制备了一种具有鸟巢状形貌的碱式碳酸镁球形材料.此结构是由片状材料在无模板剂的条件下通过自组装形成,而且在焙烧过程中,形貌可以保持不变,从而制备得到新颖的具有鸟巢状形貌的多孔氧化镁球形材料.采用X射线衍射、低温氮气吸附、红外、热重和扫描电镜等分析手段对制备的材料进行了表征.结果表明,鸟巢状氧化镁具有较大的比表面积(150 m2/g)和孔容(0.51 cm3/g).该材料用于1,2-丙二醇转化反应时,丙酮醇的选择性为92.36%,显示了良好的催化活性.     

磺化苯膦酸-磷酸锆的制备及其对甲醛羰基化反应的催化性能

合成了苯膦酸锆及其混合配体形式的苯膦酸.磷酸锆和苯膦酸-亚磷酸锆,并通过层间苯环磺化制备了不同组成的磺化苯膦酸-磷酸锆(SZrPP-n).利用电感耦合等离子体、X射线衍射、热重、红外光谱等手段对样品磺化前后的结构和性质进行了表征,考察了SZrPP-n对甲醛羰基化反应的催化性能.结果表明.苯膦酸.磷酸锆具有典型的层状结构,改变合成条件可以得到层间距不同的晶体.磺化后,SZrPP-n样品层间距增大,具有丰富的酸性位,热稳定性可以达到200℃以上.SZrPP-n对甲醛羰基化制乙醇酸甲酯反应具有较高的催化活性和稳定性.     

HZSM-35分子筛酸性质对甲缩醛和乙酸甲酯羟醛缩合反应的影响

丙烯酸及其酯是重要的化工原料,广泛应用于涂料、粘结剂、纤维等领域,目前工业上常采用丙烯两段氧化法进行制备,但该法以石油基原料丙烯为源头,采用V/Mo/Bi等金属催化剂,不符合可持续发展理念,且存在环境污染及氧气下产物易过度氧化等问题.如何高效、安全、大规模工业化制备丙烯酸及其酯是研究者追求的目标.以乙酸甲酯(Mac)和甲醛为原料,通过羟醛缩合一步制备丙烯酸及其酯是一条完全不同于丙烯氧化法的合成路径,原料均可由煤基甲醇得到,符合我国"富煤、贫油、少气"基本能源结构,且该方法碳原子利用率为100％,副产物仅为水,属于绿色环保合成路径.本文以甲缩醛(DMM)为甲醛源,创新性地采用固体硅铝分子筛为酸性催化剂,催化DMM和MAc发生羟醛缩合反应来制备丙烯酸.硅铝分子筛具有较高的活性,可高效地催化羟醛缩合反应,且具有很好的再生性能,即使催化剂寿命较短,也可采用流化床或移动床等反应器进行工业化,因此具有良好的工业化前景.硅铝分子筛中常含有Br?nsted酸和Lewis酸,为试图说明羟醛缩合反应的真正活性位点,我们以羟醛缩合反应性能最佳的HZSM-35分子筛为研究目标.首先,利用红外研究HZSM-35分子筛的酸性质.发现分子筛中桥羟基提供Br?nsted酸,外骨架铝物种提供Lewis酸.通过对桥羟基红外峰一阶求导,发现其对称性较差,表明Br?nsted酸在HZSM-35分子筛孔道中分布不均匀.利用红外分峰手段,得知约51％的Br?nsted酸分布于八元环和六元环交叉所形成的笼(cage)中,约23％分布于十元环孔道,26％分布于八元环孔道中.同时,利用吡啶在分子筛HZSM-35不同温度下的吸附情况验证了这一分峰结果.其次,利用钠离子交换方法制备不同Br?nsted酸浓度的ZSM-35分子筛,经吡啶红外表征得知,Br?nsted酸浓度随钠离子交换程度增加而逐渐降低,而Lewis酸浓度并未改变;在羟醛缩合反应性能中,丙烯酸及丙烯酸甲酯选择性和收率均随Br?nsted酸浓度增加而逐渐升高,考虑到Lewis酸浓度并未变化,可知Br?nsted酸是羟醛缩合反应性能的活性位点,其浓度增加有利于羟醛缩合反应性能的提高.同时,对比不同ZSM-35分子筛失活现象,高Br?nsted酸浓度时分子筛重积炭量最高,这可能是由于Br?nsted催化不饱和产物关环生成芳烃物种或(和)发生氢转移过程所导致.     

乙醇蒸气预处理Cr基催化剂对丙烷脱氢性能的影响

丙烯是仅次于乙烯的重要有机化工基础原料,广泛应用于生产聚丙烯、丙烯醛、丙烯酸、甘油、异丙醇、聚丙烯氰、丁辛醇等化工产品.近年来,随着市场经济的发展,丙烯下游产品的需求量迅速上涨,极大地促进了全球对丙烯的需求.负载型氧化基催化剂因其良好的催化性能和低廉的生产成本而被广泛应用于低碳烷烃脱氢反应中,Catofin,Linde及FBD工艺使用的就是Cr2O3/γ-Al2O3催化剂.丙烷脱氢过程中,担载型氧化铬催化剂Cr物种的价态、配位结构及与载体之间的相1互作用会影响其催化性能.催化反应过程中,丙烷分子吸附在Cr-O上进行活化反应,因而研究清楚催化剂的活性物种是非常重要的.综合文献,一部分研究者认为Cr6+为反应的活性中心,在反应初期与丙烷接触立即被还原为活性比较弱的Cr3+.随着原位表征技术的发展,一些研究者认为,八面体配位结构的Cr3+物种为催化反应的活性中心,四面体配位结构的Cr6+仅仅是Cr3+活性物种的前驱体,而且Cr6+并没有被发现具有催化活性.但何种Cr物种是脱氢活性中心,至今仍没有一致结论,这是值得继续关注和解决的问题.同时,浸渍法制备催化剂的过程中,金属前驱体、浸渍溶剂、干燥时间、干燥温度及焙烧时间和温度等因素会影响所制备催化剂的催化活性.我们采用等体积浸渍法制备催化剂,并用饱和乙醇蒸气对其进行预处理,以丙烷脱氢为探针反应研究了预处理对催化剂脱氢反应性能的影响,采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、程序升温还原(H2-TPR)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见光谱(UV-Vis)等表征手段,揭示催化反应的活性中心及反应机理.在无氧脱氢反应中,经过乙醇蒸气预处理的催化剂CrH-Et催化活性稍高于原始催化剂CrH.在二氧化碳参与的反应中,催化剂CrH-Et催化活性远远高于CrH.当C3Hs∶CO2∶He=1∶5∶4时达到最佳效果,CrH-Et的丙烷转化率为41.4％,丙烯选择性为84.8％,同样条件下CrH的催化活性和丙烯选择性分别为28.0％和85.9％.但是乙醇作为浸渍溶剂,对催化剂并没有促进作用.XRD和TEM结果表明,Cr均匀分散在载体表面,Cr粒子簇的大小并不影响催化剂的催化活性.H2-TPR,XPS和UV-Vis结果说明,经过乙醇蒸气预处理后催化剂中的Cr6+被还原成低价Cr,因而可以证明Cr6+不是催化剂的活性中心.Cr3+作为活性中心而存在,Cr6+仅作为活性组分的前驱体而存在.而在反应过程中,Cr3+容易被反应中生成的H2还原成非活性组分.相对于催化剂CrH,经过乙醇蒸气预处理的催化剂(CrH-Et)上部分还原后的低价Cr更容易被CO2重新氧化成Cr6+.即在反应过程中,CrH-Et能保持相对CrH更多的活性组分,因而保持更高的催化活性.     

含硫化合物的SK~αX射线荧光光谱的研究

在RIGAKU 3070X射线光谱仪(双晶)上系统测定了含硫化合物的SK~α谱; 用统计试验最优化方法处理实验数据, 得到了峰谱的峰位, 非对称因子, 半高宽度等信息; 并计算了化学位移和部分化合物硫原子的净电荷。讨论了硫化合物SK~α谱化学位移的变化规律及原因。线性回归分析结果表明: 硫化物SK~α谱的化学位移与价态, 硫的含氧化合物SK~α谱的化学位移与O/S原子数比之间都有较好的线性关系; 并给出了线性相关系数及线性方程。     

HMOR分子筛骨架铝分布研究及二甲醚羰基化反应活性中心的辨识※

HMOR分子筛在二甲醚羰基化反应中具有类似酶催化的优异性能. 关于骨架铝的分布和反应活性位的识别是研究该反应机理的关键科学问题. 早期的工作是基于理论计算研究二甲醚羰基化活性位点, 但缺乏直接的谱学证据. 通过在不同温度下焙烧NH₄MOR制备了一系列HMOR催化剂, 通过多种谱学表征手段研究分子筛骨架铝的稳定性以及铝原子落位信息, 进一步通过二甲醚羰基化反应活性关联MOR分子筛的酸性和铝分布关系获得反应机理的谱学证据. 首先从XRD (X-Ray diffraction)和SEM (Scanning electron microscope)发现经过不同温度焙烧, MOR分子筛结晶度和宏观形貌没有发生明显变化, 但是通过一维²⁹Si, ²⁷Al和¹H魔角旋转固体核磁谱(MAS NMR)发现分子筛局部环境发生了脱铝现象, 产生了明显的缺陷羟基以及B酸量的下降. 焙烧温度对HMOR分子筛骨架Al稳定性的影响较大, 随着温度升高, 脱铝逐渐加剧. 定量¹H MAS NMR结合红外(IR)光谱提供了HMOR分子筛不同孔道B酸含量的分布. 进一步使用2D ²⁷Al MQ MAS NMR的方法以及结合切片分峰拟合技术区分出分子筛骨架中的四种不同T位点, 发现当温度低于600 ℃, 不同T位脱铝速率相当; 当焙烧温度为600 ℃时, T3位点的Al原子脱除速率加快. 最后研究了二甲醚羰基化反应性能与酸分布和铝分布的关系, 获得羰基化反应活性中心的确凿谱学证据, T3-O33位置的Al位是羰基化反应的活性中心.