苯和环己烯烷基化制备环己基苯催化剂研究

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酸催化反应是工业上常见的一种催化反应类型,传统的酸催化剂大多是硫酸或盐酸等均相液体酸。均相液体酸虽然具有传质快的特点和超高的活性和选择性,但也存在许多缺点,如分离困难、无法回收、对设备存在腐蚀和环境污染等而无法大规模工业应用。基于此,大量研究人员尝试对固体酸催化剂进行优化,提高催化反应性能以取代传统的液体酸催化剂。烷基化反应是一个经典的酸催化反应,其中苯(C6H6)和环己烯(CHE)生产精细化学品环己基苯对于电池、涂料以及酚酮联产等行业十分重要。目前,该反应面临的主要问题在于活性位点不均匀分散,同时该反应过程的机理不明确。构建分布均匀的催化活性位点,明确催化作用机制对于开发高活性的烷基化催化剂具有重要的指导意义。Keggin型杂多酸具有较强的Br(?)nsted酸,有望催化烷基化反应,但是杂多酸分子容易在有机溶液中溶解从而造成活性组分的流失,且其比表面积较小。分子筛,具备稳定的骨架、丰富的微介孔结构和较高的比表面积,以分子筛为载体封装杂多酸,有望减少杂多酸在催化过程的损失,同时促进活性组分均匀分布。因此,本文围绕杂多酸催化C6H6和CHE烷基化制备环己基苯工作展开,研究了分子筛封装的杂多酸催化剂的性能,并通过红外和DFT理论计算对其催化机理进行了考察,主要研究内容如下:(1)首先,制备了分子筛封装的杂多酸催化剂,并将其用于C6H6与CHE烷基化制备环己基苯,考察了催化剂的催化活性、稳定性以及催化反应机理。在较低C6H6与CHE投料比(7:1)时,封装型HPW@USY催化剂的催化性能最佳,CHE转化率为100%,环己基苯选择性为99.9%,催化性能优于负载型HPW/USY 催化剂(conv:88.9%,sel:88.5%),机械混合催化剂 HPW+USY(conv:52.6%,sel:52.1%)和 USY(conv:80.0%,sel:86.6%)。通过 DFT 理论计算和各种表征研究了反应的机理,证实了 HPW@USY催化剂的催化活性位为被封装HPW单元上的W-OH,该活性位对CHE的活化能力很强,促进了反应中间体的形成和稳定。HPW@USY催化剂8次循环后活性无明显下降,良好的循环性能进一步证明了其良好的工业潜力和前景。(2)在第一步制备磷钨杂多酸分子筛催化剂的基础上,尝试了磷钼杂多酸(HPMo)和硅钨杂多酸(HSiW)封装在USY分子筛中。在C6H6和CHE烷基化反应中,HPA@USY催化剂性能均优于de-USY,这进一步证明了 HPA在Si-Al骨架中的封装效应。其中HPW@USY的催化性能优于HPMo@USY和HSiW@USY催化剂,这是因为HPW@USY的B/L在三种催化剂中最高,拥有更丰富的Br(?)nsted酸活性位点。最后,以HPW@USY催化剂为例尝试了 CHE和不同芳烃的烷基化反应,发现封装型杂多酸分子筛催化剂在烷基化反应中在均具有优良的催化性能,这说明了其具有普适性。
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