SiO2/负载型离子液体催化CO2转化反应的研究

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在新时代新征程的稳步前进中,加快了社会主义现代化的工业发展,致使大气中二氧化碳浓度持续走高,引起了全球温室效应和一些自然灾害。二氧化碳(CO2)也是一种经济、无毒、可持续的C1资源。CO2的资源化利用,可以提高CO2高的附加值,因此,得到了广泛的关注。CO2和环氧丙烷(PO)环加成反应生成碳酸丙烯酯(PC),是最绿色、环保、经济的途径之一。上述反应中,CO2是一种高度稳定和低反应性的分子,因此要开发高效、低廉、易合成的新型催化剂。虽然现在已经有很多的催化体系,但大多数反应条件苛刻、活性低、选择性差、稳定性低、需要溶剂、助催化剂、成本高、不易分离以及在反应后从混合物中去除催化剂和回收催化剂等问题。离子液体(Ionic Liquid)在绿色化学中作为反应的催化剂和良好溶剂,其良好的催化性能、高选择性、强稳定性等特性,受到了广泛的关注。与很多催化体系相比,它们更环保、更经济、更理想。离子液体在无溶剂、较温和的反应条件下,可以高效地催化二氧化碳合成环状碳酸酯,是最有可能实现大量工业化的催化剂体系之一的催化体系。用CORAL软件建立基于蒙特卡罗方法的定量构效关系模型,预测了111种咪唑类离子液体的熔点。把数据随机分成三组,每一组的数据分离三次。预测咪唑型离子液体的熔点,用来检验QSPR模型的准确性和可靠性。咪唑型离子液体的分子结构用简化的分子输入线输入系统(SMILES)表示,单变量SMILES字符串是由Chem Sketch软件得来。相关性平衡和经典方案的预测结果,同基于蒙特卡罗方法的QSPR模型来比较。结果表明经典方案的预测模型更为可靠。相关性平衡和经典方案模型验证集的最佳相关系数(R2)分别为0.9512和0.9219,最佳内部验证相关系数(Q2)分别为0.9414和0.8961。合成一系列咪唑类离子液体(1-己基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、1-己基-3-甲基咪唑溴盐离子液体、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体、1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体、1-羧乙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体)和一系列负载SiO2咪唑类离子液体(负载SiO2/1-己基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、负载SiO2/1-己基-3-甲基咪唑溴盐离子液体、负载SiO2/1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体、负载SiO2/1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体、负载SiO2/1-羧乙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体),通过元素分析(EA)、傅立叶红外光谱分析(FT-IR)、核磁共振(NMR)、热重分析(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)等仪器对咪唑类离子液体和负载SiO2咪唑类离子液体进行了结构表征和分析。合成的一系列离子液体催化CO2与环氧丙烷(PO),生成碳酸丙烯酯(PC),表现出了高催化活性。优化催化反应体系,如:反应温度、CO2压力、反应时间等因素对反应的影响。研究结果表明,SiO2/IL-5在温度为100℃,CO2压力为2.0 MPa,m[PO]:m[IL]=30:1的条件下反应12小时,催化效果最佳,PO的转化率为98%,PC的选择性为99%。并且研究其复用性能,催化剂在使用6次后,催化活性没有明显下降。最后讨论了离子液体作用于CO2和PO环加成反应的催化机理。
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