酸功能化MIL-101(Cr)的制备及其催化环己烯与甲酸酯化反应

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环己烯间接水合法制备环己醇,是以甲酸作为夹带剂,首先合成甲酸环己酯,再通过酯的水解生成环己醇。此工艺不仅安全隐患低,而且克服了环己烯直接水合工艺的热力学限制,非常具有研究价值。由于甲酸环己酯易水解生成环己醇,而环己烯与甲酸的酯化反应是典型的酸催化反应,所以寻找高效的固体酸催化剂是实现环己烯间接水合法制备环己醇工艺的关键。本文采用热稳定性和化学稳定性较高的金属有机骨架材料MIL-101(Cr)作为载体,制备出一系列磺酸功能化的MIL-101(Cr)样品,并进一步复合杂多酸提升酸催化性能。采用多种手段对制备的样品进行结构表征,并在环己烯甲酸酯化反应中进行性能评价,旨在为环己烯间接水合工艺开发固体酸催化剂提供有效的技术积累。本文首先采用水热合成法,分别以HF和NaAC作为矿化剂,Cr(NO33.9H2O作为铬源,对苯二甲酸为有机配体制备金属有机骨架材料MIL-101(Cr)。表征结果表明以HF和NaAC作为矿化剂制备样品的比表面积和孔容分别达到2416 m2/g,1.348 cm3/g和2397 m2/g,1.354 cm3/g,且前者的热稳定性更高。MIL-101(Cr)仅含有Cr金属不饱和配位形成的Lewis酸位,酸活性低,在催化环己烯与甲酸的酯化反应时,无法有效发挥催化作用。其次,以MIL-101(Cr)为载体,采用一步合成法,使用Cr(NO33.9H2O或CrO3作为铬源,以2-磺酸对苯二甲酸单钠为单配体或者相同摩尔比的2-磺酸对苯二甲酸单钠和对苯二甲酸为双配体,分别以HF、NaAC或HCl作为矿化剂,制备了一系列磺酸功能化MIL-101(Cr)样品。结果表明:以CrO3作为铬源,HCl作为矿化剂,单配体合成的样品MIL-101-SO3HHCl具有0.82mmol.g-1的酸量,在环己烯甲酸酯化反应中表现出最好的催化效果,环己烯转化率为63.97%,甲酸环己酯的选择性达到97.61%,并且可以重复使用三次。以HCl作为矿化剂,双配体制备的样品MIL-101-SO3H-bdcHCl比单配体制备的MIL-101-SO3HHF和MIL-101-SO3HNaAC样品具有更好的催化活性。催化酯化反应的转化率为44.75%,甲酸环己酯选择性为96.64%。为了考察磺酸配体和对苯二甲酸配体的比例对合成磺酸化MIL-101(Cr)样品的结构稳定性以及酸性能的影响,使用CrO3作为铬源,以HCl作为矿化剂,采用原位合成法制备了磺酸配体摩尔分率分别为1,0.5,0.25和0.1的样品。结果表明:随着磺酸配体的摩尔量增多,磺酸化MIL-101(Cr)样品中的酸量逐渐增加。摩尔分率为1的单配体样品的催化活性仍然最好,双配体制备的样品中,MIL-101-SO3H(0.25)在回收5次过程中转化率变化不大,重复使用性能较好,说明结构相对更加稳定。最后,为了提升磺酸功能化MIL-101(Cr)样品的催化活性和稳定性,通过原位合成法和浸渍法分别将磷钨酸(HPW)负载于MIL-101-SO3H上,考察了磷钨酸的负载量,以及负载方法对催化剂结构和性能的影响。结果表明:在0.5g/2g磺酸配体的磷钨酸负载量下使用原位法合成的HPW@MIL-101-SO3H(0.5)样品的酸量最多,催化性能最好,催化酯化反应的环己烯转化率为80.20%,甲酸环己酯选择性为98.45%,并且磷钨酸与磺酸基团之间存在较强的相互作用,有利于样品结构稳定性的提高,催化剂重复使用5次后,没有表现出明显的活性下降。
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