磁性纳米固体酸的合成及其催化烯烃环氧化性能研究

【摘要】众所周知,液体酸作为一类重要的催化剂在石油精炼以及药物合成等化工生产领域占有至关重要的位置。由于这类催化剂的使用存在诸如催化剂不易从产物中回收利用、设备腐蚀严重以及有害废物排放量大等缺点,在倡导资源、经济、环境、社会和谐发展的时代背景下,其被环境友好而又容易分离的固体酸所取代已是大势所趋。近年来,磁性纳米固体酸因其较高的催化效率、良好的稳定性和循环性而受到越来越多的关注。本文综合利用传统的液相合成方法结合表面修饰技术,通过分步法制得具有核壳结构的近乎单分散的磁性γ-Fe2O3@C@MoO3纳米固体酸,然后测试了该复合材料对过氧化氢叔丁基与烯烃的环氧化反应的催化性能,并以环辛烯的环氧化反应为模板具体考察了反应温度以及反应时间对实验结果的影响,同时也研究了催化剂的循环性能,最后结合实验数据以及相关文献提出新的催化反应机理。具体研究内容如下：1.首先采用溶剂热法制备粒径大约为300nm的γy-Fe2O3磁性纳米粒子,并以葡萄糖为碳源通过水热法在其表面包覆碳层,随后用聚电解质PDDA进行修饰以改变其表面的电性,促进三氧化钼前驱体在其表面的固载,最后在乙二醇与水的混合体系中通过水热法得到最终产物γ-Fe2O3@C@MoO3复合纳米粒子。SEM、TEM、XRD、XPS等表征结果证明所制备的复合纳米粒子为核壳结构且分散性较好同时具有超顺磁性；2.通过异相催化过氧化氢叔丁基环氧化环辛烯和苯乙烯的反应研究其催化性能,实验结果表明以四氯化碳为溶剂,该催化剂在用量极低(0.5mol%)的情况下,于80℃下反应6h,环辛烯的转化率达到97%,环氧环辛烷的选择性接近100%,转化频率(TOF)为66.7h-1,而苯乙烯在相同条件下反应12h,其转化率也达到98.4%。然后以环辛烯的环氧化反应为模型实验,具体研究了反应温度和反应时间对催化反应结果的影响以及催化剂的循环使用性能。后续的循环实验证明所合成的纳米粒子不仅具有优异的磁分离性能,而且稳定性好。在9次循环使用中,催化剂没有表现出明显的失活现象；3.基于实验数据并结合相关文献,我们提出了路易斯酸催化环氧化烯烃的反应机理。该机理认为烯烃和过氧化氢叔丁基同时和催化剂配位形成的络合物把分子间的反应转化为分子内的反应,为氧原子的转移反应提供便捷途径。
【作者】张富山；
【导师】陈乾旺；
【作者基本信息】中国科学技术大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】固体酸；磁性纳米固体酸；γ-Fe2O3@C@MoO3；烯烃；环氧化反应；

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