P-B/N/S插层类石墨烯多孔碳的制备及其催化甲基丙烯醛氧化为甲基丙烯酸的研究
批准号:
22108060
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
周理龙
依托单位:
学科分类:
绿色化工与化工安全
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
周理龙
中文摘要
甲基丙烯醛氧化为甲基丙烯酸是一种重要的化工反应,是生产大宗化学品甲基丙烯酸甲酯的关键步骤。该反应所用传统催化剂为以磷钼钒酸为基础的杂多酸催化剂,但该催化剂存在寿命短,易受热分解失活,难以再生的问题。本项目拟以生物质原料通过微波-热处理法制备的P-B/N/S插层类石墨烯碳催化剂代替杂多酸催化剂用于该反应。通过改变制备条件,对不同催化剂表征,原位实验及DFT计算模拟等手段,重点研究多孔碳催化该反应的机理、杂原子提高催化性能的机理、杂原子在热处理过程中插层石墨化多孔碳机制。针对碳催化剂活性较低的问题,通过在碳环中掺杂杂原子,改善碳催化剂表面电子结构,增强表面酸性;通过杂原子插层石墨化多孔碳,增大石墨化碳的比表面积,改善其孔结构,加快反应物和产物的内扩散过程及吸附反应物在催化剂表面迁移到氧化位的步骤,本项目的实施将为不饱和醛选择性氧化为不饱和酸高效绿色催化剂的提供新的思路和理论依据。
英文摘要
Oxidation of methacrolein to methacrylic acid is an important chemical reaction, which is the key reaction step for the production of methyl methacrylate, one of the important bulk chemicals. The traditional catalyst for this reaction is heteropoly acid based on molydbovanadylphosphoric compounds. However, this catalyst suffers from the problems of short catalytic life, thermal decomposition and hard to be regenerated. In this project, P-B/N/S intercalated graphene like porous carbon catalysts will be prepared from biomass raw materials by microwave-heat treatment method to replace heteropoly catalysts for this reaction. The catalytic mechanism of this reaction, the improvement of heteroatoms for catalytic performance and the formation mechanism of heteroatoms intercalated graphene like porous carbon during heat treatment will be researched by changing preparation situation, characterization, in-situ experiments and DFT simulation. To solve the problem of low catalytic activity of carbon catalysts, heteroatoms will be added in the carbon ring to improve the electronic structure of carbon catalysts and enhance the surface acidity. The surface area and pore structure of carbon catalysts will be improved by the intercalation of heteroatoms into the graphite layers of carbon catalysts. The diffusion of reactants and products and migration of adsorbed MAL to oxidation sites will be accelerated. The application of this project will provide a new way and theory evidences to prepare green and efficient catalysts for the oxidation of unsaturated aldehydes to unsaturated carboxylic acid.
α, β-不饱和醛氧化为α, β-不饱和酸作为一类重要的化工反应在国民经济中起到举足轻重的作用,其中甲基丙烯醛(MAL)氧化为甲基丙烯酸(MAA)是用来生产重要化工产品甲基丙烯酸甲酯(MMA)绿色工艺的关键步骤。当前,此反应所用催化剂为Keggin结构的磷钼钒酸盐(MxH4-xPMo11VO40)。然而该催化剂制备过程复杂,存在废水、废气的排放等问题,在反应中易分解为MoO3和V2O5,难以再生,严重影响工业生产。有研究用MoVOx代替杂多酸催化剂,但其活性明显低于杂多酸催化剂。因此开发高效稳定经济的新型绿色催化剂是解决该问题的关键。.本项目以含N、P、S有机物通过微波热解法和直接热解法合成了一系列杂原子单掺杂或多掺杂的碳催化剂用于催化MAL氧化为MAA。其中由植酸和2,4-二氨基-6-甲基-1,3,5-三嗪为前驱体制备的催化剂,甲基丙烯醛的转化率达到66.5%,甲基丙烯酸的选择性达到93.3%,甲基丙烯酸的产率达62.2%。通过原位红外实验,DFT模拟计算等手段,确定在反应过程中,P可与亲电基团结合从而抑制亲电基团,避免深度氧化反应的发生,并且在催化剂制备过程中,P的存在可使亲电基团转化为亲核基团。在碳催化剂中以噻吩形式存在的S可在低温下吸附和活化O2,形成活性氧物种。在碳催化剂中石墨N与催化剂活性直接相关,石墨氮对于活化甲基丙烯醛的醛基中的C-H键至关重要,氮增加了相邻碳原子的电子云密度, 促进了催化反应, 适量的氮掺杂可以打破碳的化学惰性,使自旋和电荷密度重新分布,产生更多活性位点,对催化活性的提高产生协同作用。通过半原位红外实验、半原位XPS、1HNMR、DFT模拟计算等手段研究发现碳催化剂原料首先聚合成季铵盐或季鏻盐前驱体,然后在高温加热下进行脱氢脱氧以及部分N、P、S等杂原子的脱除。当以植酸作为碳源和磷源时,植酸的六元环可实现聚合,从而形成类石墨烯结构的二维碳催化剂,由于N、P、S等杂原子体积大于碳原子,因此会形成二维平面凸起的活性位,加在两个二维类石墨烯层之间,获得杂原子插层碳催化剂。
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