三嗪功能化催化剂的制备及催化CO2环加成反应性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:meixueer2972
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CO2的过量排放所导致的生态环境问题日趋严重,其中碳捕集、利用和储存是实现CO2减排的重要手段之一。CO2作为一种含量丰富、无毒、可再生的C1原料,将CO2进行合理有效的转化受到广泛关注。三嗪类化合物是一种富氮结构的催化剂,对CO2具有较高的吸附亲和力,可作为碱性位点活化CO2。然而由于N的弱碱性使得三嗪类催化剂在CO2环加成反应中的催化活性较低。因此,本论文主要通过元素掺杂、官能团的功能化以及介孔的引入三种方式合成了具有高催化活性的含三嗪结构的催化剂,并探究了CO2与环氧化物的催化转化活性和催化机理。选用三聚氰胺(MA)和KBH4作为前驱体,采用一步高温焙烧法制备不同含量的K和B共掺杂的氮化碳催化剂(K,B-CN-X,X为KBH4中K与MA的投料的质量百分比)。XPS表征证实K与N形成K–N键稳定地存在于结构中,B取代氮化碳结构中碳位,形成B–N键而掺杂到氮化碳结构中。通过密度泛函理论(DFT)证实,由于B与C之间的电负性差异,K和B引入到氮化碳结构中能够使得三嗪环的电子结构发生改变,因而增加结构中三嗪环和氨基的活性。催化剂的筛选实验可知,K,B-CN-4催化剂在四丁基溴化铵(Bu4NBr)共同作用下,具有最佳催化活性。通过对反应参数的优化,该催化体系可以在110 oC、2MPa、6 h且无溶剂条件下高效催化CO2转化,碳酸丙烯酯(PC)的产率为87%,选择性为98%。同时该催化剂具有良好的循环性能,并且对多种环氧化物具有良好的普适性。另外DFT计算得出,K和B元素掺杂后的氮化碳更易活化CO2,结合文献与原位红外结果,提出了该催化体系的催化机理。由于羧基、羟基官能团的存在,有利于CO2环加成反应的进行,因此在纯氮化碳(CN)的基础上,对其进行碱性水解,并采用冷冻干燥(FD)方法合成了具有–COOH、–OH和–NHx多氢键供体的水解氮化碳(HCN-FD)。通过表征结果可知,水解后的氮化碳HCN-FD催化剂其酸性明显的增强,证明其–COOH、–OH的成功引入。随后进一步探究其与不同共催化剂对CO2环加成反应的催化活性,HCN-FD与四丁基碘化铵(Bu4NI)可以在110 oC、2 MPa、6 h、无金属、无溶剂条件下,PC产率达到92%,其选择性98%。另外该催化剂具有较好的循环性能,并且对不同取代基的环氧化物均有良好的催化性能。结合原位红外表征,提出了HCN-FD/Bu4NI协同催化CO2与环氧化物的反应机理。合成具有多功能一体化催化剂可以在催化过程中避免共催化剂的使用,基于此,采用溶剂热法合成了不同含量的聚合离子液体功能化的氮化碳(PIL-CN-X,X为离子液体单体与氮化碳的质量比)催化剂,该PIL-CN-X催化剂中同时含有三嗪结构,–COOH,–NHx和亲核基团Br–。其中PIL-CN-5催化剂能够在120 oC、2 MPa、12 h、无溶剂、无金属、无共催化剂存在下高效催化该环加成反应,PC的产率可达到90%,选择性为98%。同时该催化剂有较好的循环性能和普适性能,结合红外表征与实验结果提出该反应机理。介孔的存在有利于反应底物的传质和扩散,表面富含Si-OH的含硅材料在CO2与环氧化物环加成反应中具有优异的活性,同时具有富氮结构的三嗪环对CO2表现出较高的亲和力。因此,以三聚氯氰为前驱体,3-氨丙基三乙氧基硅烷、乙二胺进行分步取代,随后将其水解制备具有多孔结构的三嗪有机硅催化剂(Si TIOF),用于CO2与环氧丙烷的环加成反应。通过对反应条件的优化,其中Si TIOF在Bu4NBr协同作用下,可以在90 oC、2 MPa、5 h、无溶剂、无金属条件下,PC产率可达到95%,选择性为99%。该催化剂具有良好的循环性能及普适性。结合对CO2吸附的红外表征,提出了该反应机理。
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