过渡金属掺杂的缺位Keggin型多酸催化剂的制备、表征及催化性能研究

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杂多酸同时具有酸性和氧化还原性,可作为一种高效的双功能催化剂,并且由于结构确定,可以对其进行分子水平上的调变,从而满足不同反应体系和不同反应条件下的催化反应。但由于其易溶于极性溶剂,具有产物不易分离、难以循环使用等缺陷,从而在催化应用中受到诸多限制。通常可以利用负载或掺杂的方法,降低其在有机溶剂中的溶解度,从而得到稳定、高效、可重复使用的催化剂。本文通过在缺位Keggin型硅钨酸K8[SiW11O39]·14H2O (SiW11)中掺杂不同量的过渡金属离子Cu、Fe、Mn、Co、Ni和V等,在一定温度下煅烧后制备出了一系列过渡金属取代型或者过渡金属作为抗衡离子的新型硅钨酸盐催化剂。该催化剂与未掺杂的硅钨酸相比,催化活性更高,不易溶于水和有机溶剂,克服了多酸回收利用难的问题。并利用ICP、IR、XRD、TG、SEM和XPS等现代表征手段,对其组成、形貌及性质进行了表征。本文以苯甲醇选择性氧化为苯甲醛以及模拟汽油氧化脱硫反应为探针反应研究了这些催化剂的反应活性及其稳定性。催化剂的活性对比反应表明:掺杂少量过渡金属离子即可明显提升多酸的催化性能。其中在以H2O2为氧化剂催化苯甲醇选择性氧化为苯甲醛的反应中,所制备的催化剂Cu1.0Fe1.0SiW11O39可以在温和条件下反应,苯甲醇转化率高达98.0%,苯甲醛的选择性高达97.3%。通过正交试验得出最优催化条件为:催化剂投放量为20 mg;溶剂甲苯5 mL,H2O2添加量为5 mL,反应温度80℃,反应时间1h。在以H2O2为氧化剂催化模拟汽油氧化脱硫反应中,所制备的催化剂Cu0.5SiW11O39、 Cu0.75Fe0.75SiW11O39和Cu1.0Fe1.0SiWnO39均表现出优异的催化性能,可以将模拟汽油中的硫含量由500 ppm降至10 ppm以下,脱硫率达98%以上。以Cu0.5SiW11O39为模板催化剂,通过正交试验得出最优催化条件为:用乙腈作为萃取剂,催化剂投放量为10 mg;氧化剂与模拟汽油体积比为2:5,反应温度65℃,反应时间80 min。所制备的催化剂反应后经离心、干燥,经过5次重复使用,催化效率并未明显下降,经红外光谱表征发现,其在反应后仍然很好地保持了Keggin结构。
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