重氮盐还原法制备高比表面积炭基固体酸催化剂及其催化性能研究

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炭基固体酸材料是目前催化剂领域的研究热点。为了弥补当前磺化炭固体酸材料的不足,需要一种结构稳定、比表面积大而成本较低的炭载体,并且在其表面能够以共价键方式负载高密度的磺酸基。我们认为活性炭是一种比较合适的炭载体。如果能够将活性炭与磺酸基通过共价键高效地结合起来,就有望得到结构稳定、催化活性高而成本低廉的新型固体酸催化剂。本论文采用苯磺酸重氮盐还原法对商品活性炭进行磺化处理制备高比表面积固体酸催化剂,采用多种方法对该催化剂进行表征,全面系统的分析掌握其组成、形貌、微观结构、比表面积和孔径分布,研究该催化剂用于不同碳链长度的脂肪酸与乙醇的酯化反应,以其他商品催化剂作为对照,用酯化率来评价该固体酸催化剂的催化活性。本实验所用的活性炭是以煤炭为原料制得的商品活性炭,其比表面积在751m2/g左右。通过元素分析和总的酸密度测定结果分析可得:磺化前后AC中的S含量从0.26 mmol g-1提高到了0.90 mmol g-1,磺化过程中S含量增加了0.64 mmol g-1;而在磺化前后活性炭的总酸密度从0.3 mmol g-1提高到了1.01 mmol g-1,酸密度提高了0.71 mmol g-1,说明了在磺化过程中元素S含量的增加与总的酸密度的提高是相吻合的;XPS分析也进一步证实了在固体酸催化剂中S元素的存在状态;由TGA结果可以看出,固体酸催化剂在温度低于250℃时具有较好的热稳定性;由BET测得数据可知,活性炭制备成固体酸催化剂后,表面积和孔容分别由751 m2 g-1和0.47 cm3 g-1减少到602 m2 g-1和0.38 cm3 g-1。这就意味着一小部分空隙被磺酸基给占领了,然而孔径基本上没有发生变化,这表明磺化过程基本没有改变碳材料的微观结构。为了测试固体酸催化剂AC-PhSO3H的催化活性,我们将其应用于三种不同碳链长度脂肪酸(乙酸、正己酸、癸酸)与乙醇的酯化反应中,作为对照还列出了两种商品固体酸催化剂Amberlyst-15、Nafion NR50的催化反应结果。在乙酸的酯化反应中,当固体酸催化剂加量为0.2g,反应2h后,酯化率就达到了36.8%,与文献相比达到了较高的催化效果,而该催化剂的优越性集中体现在正癸酸与乙醇的酯化反应中,反应10h后,酯化率为52%,远远高于Amberlyst-15的36%和Nafion的17%。
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