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介孔分子筛具有规则的孔道结构,大比表面积和良好的可调控性在催化领域得到广泛的应用。作为常见的载体,氧化硅介孔分子筛制备简单,性质稳定,表面温和,通常作为一种载体,可以有效的分散活性组分,提高催化剂品质。然而直接将氧化硅介孔材料作为催化剂用于科研和生产,目前尚未有相关报道。氧化硅特殊的性质及自身的潜在应用还有待开发。
本文以介孔氧化硅分子筛作为主要研究对象,在以十氢萘为溶剂,叔丁基过氧化氢为氧化剂的体系中,对其催化氧化二苯并噻吩和4,6-二甲基二苯并噻吩的性能进行了详细的研究。在经典水热合成原粉后,采用高温煅烧和低温溶剂热两种方法脱去模板剂。得到的样品经过釜式反应评价和筛选活性。明确了催化剂结构和表面性质对活性的影响,并且优化了反应条件。扩展研究可市售其他非晶态氧化硅材料,总结出氧化硅材料具有催化氧化活性的规律。
在纯氧化硅材料的基础上,结合实验室前期工作,在介孔骨架中掺杂三氧化钼——一种对二苯并噻吩和4,6-二甲基二苯并噻吩有良好催化氧化活性的物质。通过将其高分散在介孔氧化硅中,利用大比表面性质,提高催化剂活性。采用原位合成和湿法浸渍两种方法得到不同金属含量和不同金属分布的样品。通过釜式反应,结合已有Y-氧化铝负载氧化钼样品和Ti-MCM-41分子筛评价各样品活性。金属组分对催化剂初始活性有明显的提高,不同制备方法得到的样品活性在金属分布方面有差别。掺杂金属后的介孔分子筛相比Y-氧化铝展现出优良的性能,最高活性已和Ti-MCM-41相当。
为模拟工业化生产,在管式固定床反应器中对活性良好的样品评价活性和寿命。纯硅样品在高硫含量的环境中表现出高转化率和高耐受性。掺杂三氧化钼的样品最高转化率有明显提高,但是寿命明显缩短。其原因以探明为二苯并噻吩和4,6-二甲基二苯并噻吩的氧化产物对催化剂活性位点的强吸附。通过极性溶剂洗脱,失活催化剂可恢复活性,达到初始活性的95%以上
综合实验数据,提出并证实了非晶态氧化硅催化氧化二苯并噻吩及其衍生物的反应历程。氧化硅表面孤立羟基为活性位点,孤立羟基数量决定催化剂活性。羟基抑制剂对反应的抑制效果明显,将羟基烷基化可以使催化剂永久失活。这两种方法可用来调节催化剂活性,同时证实了反应机理。