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1、.改性ZrO_2基催化剂催化1，4-丁二醇选择性脱水制3-丁烯-1-醇【摘要】：3-丁烯-1-醇(BTO)是一种附加值极高的不饱和醇类精细化学品,性质活泼,可参与多种反应,广泛应用于食用香精、农化产品、药物合成等领域,是合成杂环衍生物类新药物的重要中间体,其用量逐年增加。以固体氧化物为催化剂的1,4-丁二醇(BDO)气相选择性脱水合成BTO具有反应条件温和、环境友好、产物易分离等优点。然而,由于BDO分子中存在两个等效位置的羟基,其脱水反应在热力学上可向两个方向进行,一是分子内环化脱水生成四氢呋喃(THF),二是分子中的端羟基与相邻碳原子的-H脱水得到BTO。如何通过催化剂织构、结构及表面性质
2、等的调控,高选择性地合成目标产物BTO,抑制竞争副产物THF的生成,具有重要应用前景和理论价值。本论文在课题组前期研究的基础上,首先制备了多种单一组分氧化物催化剂,考察其催化BDO气相脱水性能,探讨催化剂表面性质对脱水反应活性和产物分布的影响。以此为基础,采用浸渍法制备了一系列表面改性的ZrO2基催化剂,通过对引入组分种类,含量以及焙烧温度的调控,制得一系列酸碱双功能催化剂,在酸碱活性中心的协同催化作用下,提高了目标产物BTO的收率。本工作采用多种表征手段,结合催化反应评价结果,较系统地研究了BDO选择性脱水合成BTO活性中心结构和酸碱协同催化机制。论文的主要研究结果如下：1、研究了多种单一组
3、分氧化物(A12O3,MgO,CaO,ZrO2和SiO2催化BDO气相脱水性能。结果表明,催化剂表面酸碱性质对BDO脱水反应活性以及产物分布有重要的影响。表面以酸性位点为主的催化剂(如Al2O3)表现出高的BDO转化率,但BTO的选择性很低；而以碱性位点为主的催化剂上(如CaO,MgO),目标产物BTO的选择性较高,但催化活性较差。在考察的多种单一组分催化剂中,ZrO2同时具有酸性位点和碱性位点,表现出最优的催化BDO选择性脱水合成BTO性能。2、制备了碱土类金属氧化物(CaO,SrO,BaO)改性的ZrO2酸碱双功能催化剂,借助X射线衍射(XRD)、低温N2物理吸附、NH3和CO2程序升温脱
4、附(NH3-TPD,CO2-TPD)等手段表征了催化剂的织构、结构以及表面酸碱性质,并考察了其催化BDO选择性脱水合成BTO的反应性能。碱土类金属氧化物的引入对ZrO2基催化剂表面的酸性位点和碱性位点有重要影响。Ca2+半径与Zr4+相近,可进入ZrO2晶格形成Ca-O-Zr结构,由于电荷分布不均衡而产生了新的酸性位点,在ZrO2表面引入大量碱性位点的同时保持了较高的酸密度,催化剂表现出高的催化活性和BTO选择性。在相同的制备条件下,半径较大的Sr2+和Ba2+难以进入ZrO2晶格,而是生成了相应的锆酸盐,导致ZrO2表面的酸密度降低,碱性位点数量也明显低于CaO改性ZrO2催化剂,催化活性和
5、BTO选择性较低。3、在上述工作的基础上,制备了一系列CaO改性的ZrO2基催化剂,考察了CaO含量和焙烧温度对催化剂表面性质及脱水性能的影响。当CaO含量低于12.5%,Ca2+可取代部分Zr4+形成Ca-O-Zr结构,以高分散形态存在于样品中,使得催化剂的酸性位点数量较高,碱性位点数量较本体ZrO2大幅增加,表现出高的BDO转化率和BTO选择性。继续增加CaO含量,CaO发生聚集且生成相应的锆酸盐,酸性和碱性位点数量呈现下降趋势,BDO转化率和BTO选择性也随之下降。之后在催化活性中心结构的研究中,结合NH3和CO2为载气的中毒实验结果得出BDO选择性脱水生成BTO的催化活性中心为酸碱协同
6、中心,该活性中心由两个酸性位点和一个碱性位点组成。其酸性位点和碱性位点分别活化BDO分子中的端羟基和-H以脱水形成BTO。为进一步研究催化剂表面碱强度对催化性能的影响,将表面碱性较为温和的MgO引入到ZrO2表面,结果表明催化剂表面的弱碱性位点更加有利于酸碱活性中心的协同催化作用。4、基于对上述酸碱协同催化规律的认识,结合本实验室前期对SiO2-ZrO2复合氧化物的研究,制备了CaO改性的SiO2-ZrO2复合氧化物催化剂。复合氧化物中Zr-O-Si结构的形成大大提高了催化剂的表面酸性中心数量,进一步引入CaO在催化剂表面产生了大量的酸碱协同活性中心,不仅表现出了高的BDO转化率和BTO选择性
7、,而且明显降低了BDO完全转化的反应温度。在反应温度为325时,BTO的收率最高为58%。【关键词】：14-丁二醇3-丁烯-1-醇气相选择性脱水氧化锆酸碱协同催化【学位授予单位】：XX大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】：O623.412【目录】：中文摘要12-14ABSTRACT14-17第一章文献综述与选题背景17-451.1引言171.23-丁烯-1-醇的合成研究现状17-251.2.13-丁烯-1-醇合成路线简介17-201.2.21,4-丁二醇脱水催化剂的研究现状20-251.3酸碱双功能催化剂研究现状25-311.3.1均相酸碱双功能催化剂261.3.2多相酸
8、碱双功能催化剂26-311.4选题依据及研究内容31-321.4.1选题依据31-321.4.2研究内容32参考文献32-45第二章实验装置及主要测试表征手段45-512.1催化剂制备所用的试剂及仪器45-462.1.1主要试剂452.1.2实验仪器45-462.2催化剂的表征46-472.2.1N_2物理吸脱附462.2.2X-射线衍射(XRD)462.2.3傅里叶变换红外(FT-IR)462.2.4CO_2/NH_3程序升温脱附(CO_2-TPD,NH_3-TPD)46-472.31.4-丁二醇脱水反应性能评价47-482.3.1固定床评价装置47-482.3.2不同载气下的1,4-丁二醇
9、脱水482.3.31,4-丁二醇脱水的稳定性实验482.4反应产物分析48-512.4.1气相色谱分析条件482.4.2产物分析482.4.3结果计算48-51第三章单一组分氧化物催化1,4-丁二醇选择性脱水性能51-613.1引言513.2实验部分51-523.2.1催化剂的制备51-523.2.2催化剂的活性评价523.2.3催化剂的表征523.3结果与讨论52-583.3.1单一组分氧化物催化1,4-丁二醇气相脱水反应性能52-543.3.2单一组分氧化物催化剂表征结果54-573.3.3催化剂表面酸碱性质与反应活性的关系57-583.4小结58参考文献58-61第四章碱土类金属氧化物改
10、性ZrO_2催化1,4-丁二醇脱水性能比较研究61-714.1引言614.2实验部分61-624.2.1催化剂的制备61-624.2.2催化剂的活性评价624.2.3催化剂的表征624.3结果与讨论62-674.3.1催化剂催化1,4-丁二醇脱水反应性能62-634.3.2催化剂表征结果63-664.3.3催化剂表面酸碱性质与反应活性的关系66-674.4小结67参考文献67-71第五章CaO-ZrO_2催化剂的制备及催化1,4-丁二醇脱水性能71-855.1引言715.2实验部分71-725.2.1催化剂的制备71-725.2.2催化剂的活性评价725.2.3催化剂的表征725.3结果与讨论
11、72-825.3.1CaO-ZrO_2催化剂催化1,4-丁二醇脱水反应性能72-745.3.2CaO-ZrO_2催化剂的织构、结构及表面酸碱性质74-805.3.3CaO-ZrO_2催化剂上酸碱活性中心的协同催化作用80-825.4小结82参考文献82-85第六章MgO-ZrO_2催化剂的制备及催化1,4-丁二醇脱水性能85-976.1引言856.2实验部分85-866.2.1催化剂的制备85-866.2.2催化剂的活性评价866.2.3催化剂的表征866.3结果与讨论86-936.3.1MgO-ZrO_2催化剂表征结果86-906.3.2MgO-ZrO_2催化剂催化1,4-丁二醇脱水反应性能
12、90-916.3.3MgO-ZrO_2催化剂上酸碱活性中心的协同催化作用91-936.4小结93-94参考文献94-97第七章CaO改性SiO_2-ZrO_2复合氧化物催化剂的制备及催化1,4-丁二醇选择性脱水性能97-1057.1引言977.2实验部分97-987.2.1催化剂的制备97-987.2.2催化剂的表征987.2.3催化剂的评价987.3结果和讨论98-1017.3.1SiO_2-ZrO_2复合氧化物及负载CaO催化剂催化1,4-丁二醇脱水反应性能98-997.3.2催化剂的表征99-1017.3.3催化剂上酸碱活性中心的协同催化作用1017.4小结101-102参考文献102-105第八章总结和展望105-1098.1引言1058.2论文的主要结论105-1068.3本论文的创新点1068.4后续工作设想106-109读学位期间取得的研究成果109-110致谢110-111个人简况及联系方式111-113本论文购买请联系页眉。. v
