KIT-6负载铜基催化剂的合成及其催化苯乙烯环氧化反应的研究

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苯乙烯侧链C=C的选择性氧化一直是烯烃环氧化研究领域关注的热点之一。近几十年来,苯乙烯环氧化主要倾向于多相过渡金属催化剂的开发与应用,以铜为主要活性物种的催化剂因具有较高的环氧苯乙烷选择性而备受瞩目。其中,Pd-Cu合金催化剂由于其结构多样性及在催化方面独特的重要性被广泛应用于各种催化反应。然而,采用pH调节法将铜离子引入三维六方介孔材料KIT-6阵列尚未见报道,尤其是pH值对合成材料的形貌、结构以及催化活性的影响尚未可知。而Pd、Cu复合型催化剂在苯乙烯环氧化方面的研究更是比较罕见。基于此,本文采用pH调节法合成铜嵌入KIT-6介孔材料Cu-KIT-6x(x代表pH值,从1.43,2.27,3.78,3.97,4.24变化至6.62),并将其应用于苯乙烯环氧化反应中。采用X射线粉末衍射(XRD)、氮气吸附脱附、透射电子显微镜(TEM)以及X射线光电子能谱(XPS)等手段对Cu-KIT-6x的结构及形貌进行细致表征。结果表明,随着pH的变化,Cu-KIT-6x催化剂的物理特性、表面结构尤其是铜物种的种类和含量呈现明显变化。在合适的pH值(pH=3.78)时,约有4.6 wt%Cu(II)以-Cu-O-Si-形式成功引入KIT-6骨架中。此外,采用苯乙烯环氧化反应对Cu-KIT-6x系列催化剂的催化活性进行评估。当以叔丁基过氧化氢为氧化剂,乙腈为溶剂时,Cu-KIT-63.78表现出最优的苯乙烯转化率(43.5%)及环氧苯乙烷选择性(86.6%)。各表征结果揭示:在适宜pH下合成的Cu-KIT-63.78催化剂具有较高的铜含量、有序的立方Ia3d介孔结构及合适的结构参数,因而在苯乙烯环氧化反应中表现出优异的活性和良好的稳定性。在单组分催化剂基础上,本文还采用浸渍法制备一系列具有不同Pd:Cu摩尔比的复合型催化剂PdxCuy/KIT-6,考察Pd:Cu摩尔比改变对催化剂结构、活性物种组成以及催化活性的影响。结果表明,Pd、Cu活性物种的负载并不会对催化剂的介孔结构产生不利影响,且活性物种主要高度分散于载体表面。催化剂中铜主要以Cu2+形式存在,钯主要以PdCl2、Pd-O基团的形式共存,且二者的相对含量可随Pd:Cu摩尔比改变进行调控。活性结果表明催化剂的活性由Pd、Cu活性物种共同决定。从Pd活性物种角度而言,PdCl2和Pd-O基团同样有助于苯乙烯的转化,但较高含量的Pd-O基团是获得良好催化效果的关键因素。由于PdxCuy/KIT-6催化剂具有较高的分散度、良好的稳定性,较强的抗流失能力,因而较单组分催化剂更具优势。此外,本文还对反应时间进行优化,结果发现,控制反应时间为6小时可获得最佳的催化效果。
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