八面体分子筛PKU-n:同晶取代、催化性质及构效关系

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这些年来,分子筛被广泛地应用于工业催化中。一般来说,分子筛大体可分为硅铝类、磷铝类以及骨架杂原子分子筛。由于其具有孔道结构,所以可作为一种具有尺寸选择性的催化剂应用于一些对于反应产物或底物具有特殊尺寸要求的反应上来。传统分子筛具有酸催化性质,可应用于酯化等酸催化反应上来。当使用离子交换、掺杂等方式对分子筛进行掺杂改性后,会使分子筛的各种理化性质发生变化。为了提高催化效果,人们付出了大量的努力将各种过渡金属引入到分子筛的骨架当中。但由于材料的本征结构因素,将过渡金属离子同晶取代到传统四面体骨架分子筛中是相当困难的。使用八面体骨架分子筛则可以克服以上缺点。纯八面体骨架结构在无机结构中十分常见,但在孔材料中是比较少见的。从03年起,新的一系列类分子筛材料——PKU-n 出现在人们的视野中,其基本骨架结构是由共边连接的AlO6和BOx组成的。
  本论文围绕PKU-n系列材料展开工作,目的是将该体系中的一些代表性结构经过改性修饰后作为固体酸或者氧化还原分子筛应用于催化有机小分子反应当中去,利用XRD等多种表征技术确定催化剂的理化性质;使用GC、1H NMR等方法确定催化反应的产物及收率;结合原位实验及DFT计算等手段对反应体系中存在的机理进行探究;重点放在研究催化效果与催化剂结构之间的联系。主要结果如下:
  ①PKU-1可以作为固体酸高效地催化转化亚胺的Strecker反应,且经过实验探索发现,体系中真正起作用的是 Br?nsted 酸(由 PKU-1 的骨架羟基提供),结构中Lewis酸位点(三配位的B)则不能够独立承担催化作用。
  ②CrxAl1-x-PKU-1可做为氧化还原分子筛催化仲醇的脱氢反应。经过探究发现,在催化反应中,骨架中的Cr起着最重要的催化作用。并且,在CrxAl1-x-PKU-1的作用下H2O2能够单一地被刺激且分解产生?OH并同时抑制?O2-的生成。同时该材料也可以作为一种双中心固体酸高效催化多种亚胺的Stecker反应,并通过实验证实进入骨架中的 Cr3+确实可以作为 Lewis 酸位点与骨架羟基一起体现出协同催化作用。
  ③使用Al对Ga-PKU-1中Ga晶格位进行掺杂,可以得到全范围内的固溶体,进而得到一种可规律性调节表面酸碱性的催化剂。经过催化评价,AlxGa1-x-PKU-1确实可以催化Strecker反应展现出随Ga含量增加产生的线性反应结果。经过简单焙烧,AlxGa1-x-PKU-1可以转变为(AlxGa1-x)4B2O9,其中配位不饱和的Al和Ga以及相连的O可作为Lewis酸及Lewis碱位点,对Strecker反应体现非凡的催化效果。
  ④PKU-8由于具备非常特殊的骨架结构,第一过渡族元素均可高比例的(> 20 atom%)进入到其骨架结构中,其中Cr-PKU-8更是对醇类选择性脱氢起到卓越的催化效果。通过元素示踪及DFT模拟,在Cr-PKU-8的催化作用下,氧化剂TBHP可以转化成t-BuO?及t-BuOO?这两种活性物种,而t-BuOO?则主要起到对醇类底物的拔氢作用。
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