尖晶石型铁酸盐的制备及催化选择性氧化和Suzuki偶联反应性能的研究

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尖晶石型铁酸盐复合氧化物,因其独特的性能而在磁记录和分离、铁磁流体、磁共振成像(MRI)、气体传感器、生物医药和催化等领域都有广泛的应用。磁性铁酸盐纳米材料不仅具有良好的热稳定和化学稳定性,在液相反应中使用该类催化剂还有一个很大的优点,就是可利用其磁性通过外加磁场很容易实现催化剂的分离回收。除用作催化剂外,尖晶石铁酸盐复合氧化物还是一类很好的磁性载体。这类材料具有很好的兼容性,与其它均相催化剂结合可实现其多相化,以达到催化剂的磁性回收和重复使用的目的。铁酸盐类催化剂的性质和性能对其组成、结构及形貌有较强的依赖性。近十年来,人们成功地合成了球体、线型、立方体、三角形和八面体等多种形态的尖晶石铁酸盐复合氧化物,极大地拓宽了这类材料在各个领域的应用。另外,在催化氧化反应中,从经济和环保的角度来看,使用绿色氧化剂和溶剂的催化体系是大家所希望的,相关方面的研究也一直是催化氧化领域的热点。本论文以发展高活性尖晶石型铁酸盐催化剂为目的,主要进行了以下研究:(1)用溶胶-凝胶自蔓延燃烧法合成了Mg1-xCuxFe2O4(x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9,1)系列尖晶石型铁酸盐,以H2O2为绿色氧化剂、水为绿色介质,考察了所得催化剂催化苯乙烯选择性氧化的性能。实验结果表明,Mg0.5Cu0.5Fe2O4的催化活性最高,在80oC下反应9h后,苯乙烯的转化率可达到21.8%,主要产物苯甲醛的选择性可达到83.9%。通过对制备方法和催化剂形貌的考察,发现中空结构的Mg0.5Cu0.5Fe2O4催化活性得到了较大提高。在TBHP引发下,该催化剂可在常压下催化分子氧氧化苯乙烯,苯乙烯的转化率可达到18.2%,主要产物苯甲醛和环氧苯乙烷的选择性分别可达到49.4%和31.9%。(2)制备了磁性核-壳结构的Fe3O4@壳聚糖希夫碱钴(II),铜(II)和锰(Ⅱ)系列催化剂,并用红外光谱(FT-IR),光电子能谱(XPS),X射线衍射(XRD),透射电镜(TEM),动态光散射(DLS)和热重(TG)等方法对催化剂进行了表征。在无溶剂和还原剂的条件下,考察了所制备催化剂催化分子氧氧化环己烯的活性。结果表明,所得催化剂具有较高的催化活性,尤其是5-硝基水杨醛希夫碱钴(II)作为催化剂时,环己烯的转化率可达46.8%,主要产物环己烯酮的选择性可达77.2%。催化剂很容易实现磁性分离,并且连续重复使用五次后催化活性无明显的降低。(3)以介孔分子筛SBA-15和MCM-41为模版制备了高比表面积的Cu-Pd铁酸盐,并用FT-IR, XPS, XRD,TEM和N2吸附-脱附等方法对催化剂进行了表征。考察了所得催化剂催化卤代芳烃和芳基硼酸Suzuki偶联反应的性能。结果表明,所得催化剂具有较高的比表面积和催化活性。尤其是以分子筛MCM-41为模板制备的Cu0.99Pd0.01Fe2O4催化剂,可得到高达2.5×103的TOF值。该催化剂连续使用十次后催化活性无明显的降低。
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