基本信息
- 项目名称：
- 介孔固体酸KIT-SO3H的后合成法合成及催化性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 采用后合成方法，将含有巯基的化合物3-巯丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）键合在纯硅介孔分子筛KIT-1表面上，经氧化和酸化后得到含有酸性的磺酸基团的固体酸催化剂KIT-SO3H。用 X射线衍射、红外光谱及热失重等方法对改性前后的KIT-1样品进行了表征，并考察了KIT-SO3H催化剂对对苯二酚和叔丁醇的烷基化反应的活性，通过在150 °C和120 °C条件下重复使用考察催化剂的稳定性，以及失活原因。
- 详细介绍：
- 在有机常用催化剂中，大多数具有腐蚀性毒性或难于回收等缺点，为弥补这些缺陷，固体酸的研究更加具有经济价值.固体酸催化剂无腐蚀性和毒性,与产物易分离，是环境友好催化剂目前，固体酸催化剂中研究的最深入、应用成功的是分子筛。一般的微孔分子筛虽有较强的酸性，但其较小的孔道往往对涉及大分子的反应的传质不利，因此如何解决这些反应过程中的催化剂失活、传质等问题就成为重要的研究课题，有序介孔材料，如SBA-15，MCM-41和KIT-1等的出现，使得这些反应的固体催化成为可能。但是它们的酸性一般较分子筛弱，因而不能满足一些反应对催化剂酸性的要求。为此，人们通过对介孔材料进行修饰来增强其酸性.磺酸基官能化的SBA-15，MCM-41等都被用于催化一些酸催化反应，如烷基化、酯化、水解等。但磺酸基官能化的KIT-1分子筛用于催化的研究却比较少见。比较这三者的性质SBA-15分子筛虽然具有孔径大、孔壁厚、热稳定性好等优点，但用于合成的原料P123价格昂贵，造价太高，而MCM-41分子筛热稳定性稍差，虽孔径较大有利于大分子反应的进行，但其一维孔道一旦堵塞便无法继续催化，KIT-1分子筛具有的一维孔道彼此交叉形成三维无序结构，有利于催化、吸附过程的物质传递，而且具有造价低，热稳定性好的优点。2-叔丁基对苯二酚(2-TBHQ)具有良好的抗氧化性和低毒性，是理想的食品工业的抗氧化剂，同时又可作为塑料和橡胶的稳定剂和其他化学产品制备过程中的中间体。2-TBHQ通常以液体酸(磷酸或硫酸)为催化剂，通过对苯二酚与叔丁醇或甲基叔丁基醚烷基化反应来制备，但液体酸的强腐蚀性会造成严重的环境污染。固体酸因其对环境友好、易分离和可重复使用等优点成为理想的替代品。采用后合成方法，将含有巯基的化合物3-巯丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）键合在纯硅介孔分子筛KIT-1表面上，经氧化和酸化后得到含有酸性的磺酸基团的固体酸催化剂KIT-SO3H。用 X射线衍射、红外光谱及热失重等方法对改性前后的KIT-1样品进行了表征，并考察了KIT-SO3H催化剂对对苯二酚和叔丁醇的烷基化反应的活性，通过在150 °C和120 °C条件下重复使用考察催化剂的稳定性，以及失活原因。结果表明，改性后 KIT-1 分子筛的结构未发生变化, MPTMS键合于分子筛的表面，改性后的分子筛具有质子酸中心，对于烷基化反应具有较高的催化活性。150 °C时重复反应催化剂失活较为严重，转化率由100%降至38.2%，而120 °C时重复反应四次后转化率仅由100%降至84%，说明在适当温度下该催化剂不仅性能稳定而且可重复使用。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 常用有机催化剂，大多数具有腐蚀性毒性或难于回收等缺点。固体酸催化剂无腐蚀性和毒性,与产物易分离，对环境友好。固体酸催化剂分子筛虽有较强的酸性，但其较小的孔道往往对涉及大分子的反应的传质不利。有序介孔材料，使得这些反应的固体催化成为可能。本文通过后合成法在KIT-1上键合磺酸基团，制备了一种活性高，稳定性好的固体酸催化剂KIT-SO3H，并考察了该催化剂对叔丁醇与对苯二酚烷基化反应的催化性能。
科学性、先进性及独特之处
- 通过后合成法在KIT-1上键合磺酸基团，制备了一种活性高，稳定性好的固体酸催化剂KIT-SO3H。该催化剂具有较好的介孔结构和较强的酸性。磺酸基官能化的KIT-1分子筛用于催化的研究比较少见，具有一定的创新性和科学性。固体酸类催化剂具有对环境友好、易分离和可重复使用等优点，是常用有机催化剂的理想替代品。
应用价值和现实意义
- 固体酸催化剂KIT-SO3H活性高，稳定性好，具有较好的介孔结构和较强的酸性。固体酸催化剂因其对环境友好、易分离和可重复使用等优点，也具有广阔的应用前景。该催化剂研制成功具有一定的应用前景。
学术论文摘要
- 采用后合成方法，将含有巯基的化合物3-巯丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）键合在纯硅介孔分子筛KIT-1表面上，经氧化和酸化后得到含有酸性的磺酸基团的固体酸催化剂KIT-SO3H。用 X射线衍射、红外光谱及热失重等方法对改性前后的KIT-1样品进行了表征，并考察了KIT-SO3H催化剂对对苯二酚和叔丁醇的烷基化反应的活性，通过在150 °C和120 °C条件下重复使用考察催化剂的稳定性，以及失活原因。结果表明，改性后 KIT-1 分子筛的结构未发生变化, MPTMS键合于分子筛的表面，改性后的分子筛具有质子酸中心，对于烷基化反应具有较高的催化活性。150 °C时重复反应催化剂失活较为严重，转化率由100%降至38.2%，而120 °C时重复反应四次后转化率仅由100%降至84%，说明在适当温度下该催化剂不仅性能稳定而且可重复使用。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1]Jang，S.H. and Ahn，W.H. Phase transition of mesoporous SiO2 impregnated with an organic templating agent by post-synthetic microwave heating[J]，Journal of Porous Materials. 2008，15（1）: 93-99. [2]Ryoo R, Kim JM, Shin CH, et al. Synthesis and hydrothermal stability of a disordered mesoporous molecular sieve [J]. Studies in Surface Science and Catalysis.1997, 105 ( PartA2 C) : 45～52. [3]Zhao, W. ,Salame, P. , Launay，F. et al . Sulfonic acid functionalised SBA-15 as catalysts for Beckmann rearrangement and esterification reaction [J]. Journal of Porous Materials 2008,15(2):139-143. [4]李惠云,华伟明.KIT-1介孔分子筛的化学修饰及吸附性能[J].无机化学学报.2007，6.1093-1098. [5]周丽娜,刘 可,华伟明等.碳基磺酸化固体酸材料的制备及其催化性能[J].催化学报.2009,30(3):196-200. [6]李惠云,何其戈,王绍梅等. Al-MSU-S(Y)催化剂上对苯二酚与叔丁醇的烷基化反应[J].石油化工.2008,37(5):460-464.
同类课题研究水平概述
- 随着社会环保意识的日益增强,对环保用催化剂的要求越来越高,在有机常用催化剂中，大多数具有腐蚀性毒性或难于回收等缺点，为弥补这些缺陷，固体酸的研究更加具有经济价值.固体酸催化剂无腐蚀性和毒性,与产物易分离，是环境友好催化剂。目前，分子筛是固体酸催化剂中研究的最深入、应用成功的。一般的微孔分子筛虽有较强的酸性，但其较小的孔道往往对涉及大分子的反应的传质不利，因此如何解决这些反应过程中的催化剂失活、传质等问题就成为重要的研究课题。许多专家研究出了许多有序介孔材料，如SBA-15，MCM-41和KIT-1等，使得这些反应的固体催化成为可能。但是它们的酸性一般较分子筛弱，因而不能满足一些反应对催化剂酸性的要求。为此，许多学者开展了大量的研究工作，通过对介孔材料进行修饰来增强其酸性.磺酸基官能化的SBA-15，MCM-41等都被用于催化一些酸催化反应，如烷基化、酯化、水解等。但磺酸基官能化的KIT-1分子筛用于催化的研究却比较少见。通过后合成法在KIT-1上键合磺酸基团，制备的固体酸催化剂KIT-SO3H是一种具有较好的介孔结构和较强的酸性，活性高，稳定性好的催化剂。
