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新型非晶态合金材料的设计合成及催化性能研究

2020-11-22阅读(1012)

新型非晶态合金材料的设计合成及催化性能研究

论文摘要

非晶态合金是一类具有长程无序、短程有序结构的新材料，其独特的结构使它与普通晶态金属相比具有许多特殊性能，如原子配位高度不饱和、表面各向同性以及耐腐蚀等。此外，非晶态合金对环境友好，故被认为是21世纪很有前途的高效清洁催化新材料。非晶态合金一般以纳米粒子的形式存在，但是采用目前的制备方法得到的非晶态合金存在比表面低、热稳定性差、粒径分布不均匀等缺点，大大限制了它的实际应用。因而将非晶态合金负载到大比表面的新型载体（如介孔分子筛和介孔-微孔双孔道复合分子筛）上或者对其进行可控合成和有序组装，获得具有独特结构、大比表面和高稳定性的新型非晶态合金材料并将其用于多相催化具有重要的研究价值。双氧水是极具应用价值的化工产品，在造纸、纺织、合成、环保等领域都有着广泛的应用，其制备的关键步骤是蒽醌选择加氢。已有实验室工作表明，超细非晶态合金在蒽醌选择加氢反应中有较好的催化性能，但是其比表面低、热稳定性差，大大限制了它的工业应用。对非晶态合金进行负载化，进一步拓展其在双氧水生产中的应用具有很强的现实意义。而非晶态合金上前手性酮的不对称氢化是一个全新的课题。非晶态合金具有的独特性质使其有望克服已有的多相不对称氢化催化剂存在的低温活性低、活性中心分布不均匀带来的选择性低、以及易腐蚀流失等缺点。以非晶态合金作为新的技术生长点，有希望开发出新一代的羰基不对称氢化催化剂，这对于缩短我们和世界发达国家在此领域的研究差距，具有十分重要的意义。1、介孔二氧化硅负载的Ni-B非晶态合金催化剂采用“还原剂浸渍”法，利用具有大比表面、独特孔道结构、较大孔径和窄孔径分布的介孔二氧化硅分子筛（HMS、MCM-41和SBA-15）对Ni-B非晶态合金进行了负载，系统研究了介孔分子筛的孔道结构对催化剂的孔结构、热稳定性、表面物种及化学态、H2吸附状态、催化剂中Ni-B颗粒的尺寸与分布以及催化性能的影响。介孔分子筛负载的Ni-B催化剂的热稳定性有很大提高。催化剂中Ni-B颗粒的分布与介孔分子筛的孔径密切相关，而其均匀程度则与Ni-B与载体之间相互作用的强弱有关。在Ni-B／SBA-15催化剂中，Ni-B颗粒高度分散在SBA-15的孔道中，且粒径均一（～6nm）。对于Ni-B／MCM-41，Ni-B颗粒主要位于MCM-41的表面，并未进入MCM-41孔道中，且大小不一。对于Ni-B／HMS，虽然Ni-B颗粒主要位于HMS表面，但是粒径非常均一（～15nm）。上述介孔二氧化硅分子筛负载的Ni-B催化剂在2-乙基蒽醌选择加氢反应中展示出100％的双氧水得率。其中Ni-B／SBA-15催化剂在双氧水得率达到最大时没有苯环加氢产物的出现，说明Ni-B／SBA-15对于蒽醌分子中的羰基具有专一的选择性。该催化剂性能稳定，循环使用多次仍保持良好的催化性能，且环境友好，显示出了很好的应用前景。2、新型结构的非晶态合金材料的可控合成与有序组装采用“CTAB-正己醇-水”微乳体系，成功合成了Ni-B的纳米粒子，使用TEOS水解得到的二氧化硅微球对Ni-B纳米粒子进行包裹后得到了Ni-B@silica结构。通过对Ni2+浓度的控制，实现了Ni-B@silica中Ni-B纳米粒子的粒径可控。使用“超声辅助还原剂渗入”法结合介孔分子筛作为硬模板，成功复制了介孔分子筛硬模板的孔结构，制备了一维纳米线、两维六方纳米阵列和三维立方双螺旋结构的非晶态合金材料。MCM-41孔壁致密，以它为硬模板只能得到一维的纳米线；由于SBA-15介孔孔壁上存在微孔结构，以它作为模板可获得二维六方的纳米阵列；而以KIT-6作为硬模板，则可以获得立方双螺旋结构。使用聚苯乙烯（PS）微球作为模板，采用表面活化与化学镀沉积相结合的方法获得了Ni-B非晶态合金的核-壳和空壳结构。表面活化是获得非晶态合金空壳结构的必要条件，通过Sn2+／Pd2+浸渍法可以成功地对PS表面进行活化。通过控制化学镀的施镀时间可以有效控制Ni-B球壳的厚度。在PS微球内核除去方法中，THF处理比较有效。与超细Ni-B相比，上述Ni-B@silica、Ni-B两维六方纳米阵列、Ni-B／PS核-壳和Ni-B空壳样品在苯乙酮选择加氢反应中普遍展示出更好的催化性能。3、非晶态合金在苯乙酮不对称氢化反应中的催化性能通过对不同超细金属非晶态合金催化剂苯乙酮不对称氢化反应的研究，发现活性次序为：Pd-B＞Ru-B＞Ni-B＞Co-B＞Cu-B＞Pt-B；其羰基选择性次序为：Ni-B＞Co-B＞Pt-B＞Cu-B＞Ru-B＞Pd-B。对于L-酒石酸改性的超细Ni-B非晶态合金催化剂，在277-348K温度范围内，苯乙酮不对称氢化反应的对映体选择性随反应温度的提高而逐渐降低。277K时苯乙酮不对称氢化反应对映体选择性最高；348K时反应对映体选择性完全消失；318K时反应的光学产率最大。上述催化剂在甲醇、乙醇、四氢呋喃等极性溶剂中具有较高的反应活性和对映体选择性，其中乙醇溶剂中的光学产率最大。在酒石酸（TA）、脯氨酸（Pro）、辛可宁（CN）三种手性修饰剂中，TA修饰的Ni-B催化剂展示出最高的对映体选择性。在TA修饰改性方法中，TA原位修饰能够获得相对较高的对映体选择性。此外，向超细Ni-B催化剂中引入修饰元素Cr形成Ni-Cr-B催化剂或进一步将Ni-Cr-B催化剂负载到介孔分子筛MCM-41的孔道中可以进一步提高苯乙酮不对称氢化反应的活性和对映体选择性。在不添加氨基酸手性修饰剂的情况下，非晶态Pd-B催化剂虽然显示出较高的苯乙酮加氢活性，但是对于苯乙酮分子中羰基的选择性很差，反应生成大量的乙苯副产物。使用氨基酸修饰后，其羰基选择性明显提高，其中Pro改性的Pd基催化剂上对映体选择性和PE得率最高。与晶态的Pd催化剂相比，非晶态Pd-B催化剂上可以获得更高的对映体选择性。在Pd-B两维六方纳米阵列催化剂上，原位加入的Pro与Pd-B催化剂的质量比为8∶1时，苯乙酮不对称氢化反应的对映体选择性高达23.3％，该数值优于文献上的最高报道（22％）。添加新戊酸或三乙胺添加剂可以进一步将苯乙酮不对称氢化反应的对映体选择性提高到24.1和25.2％。4、新型介孔-微孔双孔道复合分子筛的设计合成以Na2SiO3作为硅源，以Ni50Al50中的铝作为铝源，以Na2SiO3抽提Ni50Al50残余的Raney Ni作为辅助剂，在不使用任何介孔模板剂的情况下，成功合成了方沸石（ANA）的介孔-微孔双孔道复合分子筛材料。样品为完整均一的大颗粒晶体，大小约为50μm。晶体外形为四角三八面体，表面光滑，内部由许多纳米棒（宽度为40～300nm，长度为60nm～2μm）组成。样品比表面为33m2·g-1，孔容为0.15cm3·g-1，且在4nm处有较窄的孔径分布。TEM进一步验证样品具有介孔-微孔复合结构。通过对不同生长阶段的产物的表征，发现定向聚集（Oriented Aggregation）机制是生成上述介孔-微孔双孔道复合分子筛材料的关键因素。采用碳纳米颗粒和介孔碳分子筛作为介孔模板制备了介孔ZSM-5复合分子筛材料。不同于微孔ZSM-5晶体的致密结构，所制备的介孔ZSM-5材料是由纳米晶粒堆积而成，晶粒上存在介孔结构。以合成的介孔ZSM-5负载Pd-B后得到的Pd-B／meso-ZSM-5催化剂上的1-苯乙醇得率（18.9％）和对映体选择性（17.0％）高于微孔ZSM-5负载的Pd-B催化剂（1-苯乙醇得率4.2％，对映体选择性13.6％）。

论文目录

  • 目录
  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第一章 研究背景
  • 1.1 非晶态合金
  • 1.1.1 非晶态合金概述
  • 1.1.2 非晶态合金的制备方法
  • 1.1.3 非晶态合金的性质及应用
  • 1.2 纳米材料概述
  • 1.2.1 纳米材料的特殊性能
  • 1.2.2 纳米材料的结构特性
  • 1.2.3 纳米材料的重要合成方法及进展
  • 1.2.4 非晶态合金纳米材料的合成进展
  • 1.3 氧水的应用及其制备
  • 1.3.1 双氧水的应用
  • 1.3.2 氧水的制备方法
  • 1.3.3 蒽醌选择加氢制备双氧水
  • 1.4 1-苯乙醇的应用及其制备
  • 1.4.1 1-苯乙醇的应用
  • 1.4.2 苯乙酮选择加氢制备1-苯乙醇
  • 1.5 多相不对称氢化反应
  • 1.5.1 手性
  • 1.5.2 对映体组成的测定
  • 1.5.3 不对称合成
  • 1.5.4 多相不对称催化氢化
  • 1.5.5 苯乙酮不对称催化氢化
  • 1.6 介孔分子筛和介孔-微孔双孔道复合分子筛
  • 1.6.1 介孔-微孔双孔道复合分子筛的重要合成方法及进展
  • 1.6.1.1 微孔分子筛和介孔分子筛两种材料的复合
  • 1.6.1.2 介孔孔道与微孔孔道在一种分子筛材料中的复合
  • 1.6.2 晶体的生长机制
  • 1.7 本论文的研究目标
  • 第二章 样品的制备、表征和活性测试
  • 2.1 试剂和药品
  • 2.2 样品的制备
  • 2.2.1 载体的制备
  • 2.2.1.1 介孔二氧化硅分子筛HMS的制备
  • 2.2.1.2 介孔二氧化硅分子筛MCM-41的制备
  • 2.2.1.3 介孔二氧化硅分子筛SBA-15的制备
  • 2.2.1.4 介孔二氧化硅分子筛KIT-6的制备
  • 2.2.2 催化剂的制备
  • 2.2.2.1 Raney Ni的制备
  • 2.2.2.2 超细非晶态合金的制备
  • 2.3 样品的表征
  • 2.3.1 电感耦合等离子光谱（ICP）
  • 2.3.2 氮吸附
  • 2.3.3 X-射线粉末衍射（XRD）
  • 2.3.4 扫描电子显微镜（SEM）
  • 2.3.5 透射电子显微镜（TEM）
  • 2.3.6 X-射线光电子能谱（XPS）
  • 2.3.7 差示扫描量热（DSC）、热重（TG）和差热分析（DTA）
  • 2.3.8 X-射线吸收精细结构（XAFS）
  • 2.3.9 氢吸附
  • 2-程序升温脱附（H2-TPD）'>2.3.10 H2-程序升温脱附（H2-TPD）
  • 2.4 活性评价
  • 2.4.1 2-乙基蒽醌加氢
  • 2.4.1.1 催化反应
  • 2.4.1.2 工作液组成的分析（HPLC）
  • 2.4.1.3 氧水的滴定分析
  • 2.4.1.4 催化剂催化性能的评价指标
  • 2.4.2 苯乙酮加氢
  • 2.4.2.1 催化反应
  • 2.4.2.2 反应液及1-苯乙醇生成量的分析（GC）
  • 2.4.2.3 催化剂催化性能的评价指标
  • 第三章 负载型Ni-B非晶态合金催化剂
  • 3.1 制备方法对负载型Ni-B非晶态合金催化剂催化性能的影响
  • 3.1.1 浸渍化学还原法（Impregnation Method）
  • 3.1.2 还原剂浸渍法（Reductant-Impregnation Method）
  • 2与Ni-B（I）/SiO2催化剂性能比较'>3.1.3 Ni-B（R）/SiO2与Ni-B（I）/SiO2催化剂性能比较
  • 3.2 载体类型对负载型Ni-B催化剂催化性能的影响
  • 3.2.1 载体及负载型Ni-B催化剂的一些基本物性表征
  • 3.2.2 载体对Ni-B非晶态合金热稳定性的影响
  • 3.2.3 载体对Ni-B非晶态合金蒽醌选择加氢催化性能的影响
  • 3.3 介孔二氧化硅分子筛负载的非晶态Ni-B催化剂
  • 3.3.1 介孔二氧化硅载体的表征
  • 3.3.1.1 比表面和孔结构
  • 3.3.1.2 小角XRD
  • 3.3.1.3 形貌和孔道结构
  • 3.3.2 介孔二氧化硅负载的Ni-B催化剂的基本物性表征
  • 3.3.3 催化剂的孔结构
  • 3.3.4 表面形貌
  • 3.3.5 Ni-B颗粒的尺寸与分布
  • 3.3.6 催化剂的热稳定性
  • 3.3.7 表面物种及化学态
  • 3.3.8 XAFS结果
  • 3.3.9 2-乙基蒽醌选择加氢反应
  • 2在催化剂上的吸附状态'>3.3.10 H2在催化剂上的吸附状态
  • 3.4 小结
  • 第四章 新型结构的非晶态合金材料的可控合成与有序组装
  • 4.1 Ni-B非晶态合金纳米粒子的可控合成
  • 4.1.1 Ni-B非晶态合金纳米粒子的合成
  • 4.1.2 预搅拌时间对Ni-B@silica的影响
  • 4.1.3 TEOS用量对Ni-B@silica的影响
  • 4.1.4 金属离子浓度对Ni-B@silica的影响
  • 4.1.5 Ni-B@silica在苯乙酮选择加氢中的催化性能
  • 4.2 非晶态合金纳米结构（Nanostructure）的有序组装
  • 4.2.1 超声辅助还原剂渗入法
  • 4.2.2 一维纳米线
  • 4.2.3 两维六方纳米阵列
  • 4.2.3.1 Ni-B两维六方纳米阵列
  • 4.2.3.2 其它M-B非晶态合金的纳米结构
  • 4.2.4 三维双螺旋结构纳米阵列
  • 4.2.5 Ni-B两维六方纳米阵列在苯乙酮选择加氢中的催化性能
  • 4.3 Ni-B非晶态合金核-壳及空壳结构的有序组装
  • 4.3.1 "表面改性化学镀"法制备Ni-B核-壳及空壳材料
  • 4.3.2 表面改性的作用
  • 4.3.3 施镀时间对形貌的影响
  • 4.3.4 施镀时间对球壳厚度的影响
  • 4.3.5 PS内核除去方法对Ni-B非晶态空壳球结构的影响
  • 4.3.6 Ni-B/PS核-壳、空壳结构在苯乙酮选择加氢中的催化性能
  • 4.4 小结
  • 第五章 非晶态合金在苯乙酮不对称氢化反应中的催化性能
  • 5.1 催化剂制备、改性和活性评价
  • 5.1.1 催化剂的制备
  • 5.1.1.1 Ni-Cr-B/MCM-41催化剂的制备
  • 5.1.1.2 分子筛负载的晶态Pd或非晶态Pd-B催化剂的制备
  • 5.1.1.3 晶态Pd纳米线、纳米阵列和双螺旋结构的制备
  • 5.1.2 催化剂的修饰改性方法
  • 5.1.2.1 L-酒石酸（TA）修饰改性
  • 5.1.2.2 L-脯氨酸（Pro）原位修饰改性
  • 5.1.2.3 辛可宁（CN）原位修饰改性
  • 5.1.3 苯乙酮不对称氢化反应活性评价
  • 5.1.3.1 苯乙酮/手性氨基酸/甲醇反应底液的制备
  • 5.1.3.2 活性评价
  • 5.2 金属种类对苯乙酮不对称氢化反应的影响
  • 5.3 超细Ni-B非晶态合金催化剂体系
  • 5.3.1 超细Ni-B非晶态合金催化剂的表征
  • 5.3.1.1 非晶态结构的确认
  • 5.3.1.2 形貌和结构
  • 5.3.1.3 电子性质
  • 5.3.2 反应温度对苯乙酮不对称氢化反应的影响
  • 5.3.3 手性修饰剂对苯乙酮不对称氢化反应的影响
  • 5.3.4 溶剂对苯乙酮不对称氢化反应的影响
  • 5.3.5 TA修饰方法对苯乙酮不对称氢化反应的影响
  • 5.3.6 助剂Cr对Ni-B催化剂苯乙酮不对称氢化催化性能的影响
  • 5.3.6.1 Ni-Cr-B催化剂的表征
  • 5.3.6.2 Ni-Cr-B与Ni-B催化性能比较
  • 5.3.6.3 Ni-Cr-B上修饰方法对苯乙酮不对称氢化反应的影响
  • 5.3.6.4 Ni-Cr-B上反应温度对苯乙酮不对称氢化反应的影响
  • 5.3.6.5 Ni-Cr-B上手性修饰剂对苯乙酮不对称氢化反应的影响
  • 5.3.6.6 Ni-Cr-B负载化对苯乙酮不对称氢化反应的影响
  • 5.4 Pd-B非晶态合金催化剂体系
  • 5.4.1 Pd-B非晶态合金催化剂的表征
  • 5.4.2 氨基酸对Pd-B催化剂上苯乙酮不对称氢化反应的影响
  • 5.4.3 Pd-B非晶态合金和晶态Pd催化剂催化性能的比较
  • 5.4.4 Pro用量对苯乙酮不对称氢化反应的影响
  • 5.4.5 添加剂对苯乙酮不对称氢化反应的影响
  • 5.5 小结
  • 第六章 新型介孔-微孔双孔道复合分子筛的设计合成
  • 6.1 介孔-微孔双孔道复合分子筛的合成
  • 6.1.1 方沸石介孔-微孔双孔道复合分子筛的合成
  • 6.1.2 介孔ZSM-5复合分子筛的合成
  • 6.1.2.1 炭模板的合成
  • 6.1.2.2 介孔ZSM-5的合成
  • 6.2 方沸石（ANA）介孔-微孔双孔道复合分子筛
  • 6.2.1 样品的XRD表征
  • 6.2.2 样品的形貌
  • 6.2.3 样品的化学组成、比表面、孔容
  • 6.2.4 样品的孔结构
  • 6.2.5 样品的TEM表征
  • 6.2.6 ANA介孔-微孔复合分子筛的生长机理探索
  • 6.3 介孔ZSM-5复合分子筛
  • 6.3.1 碳纳米颗粒、介孔碳分子筛的表征
  • 6.3.2 微孔ZSM-5和介孔ZSM-5样品的XRD比较
  • 6.3.3 微孔ZSM-5和介孔ZSM-5样品的形貌比较
  • 6.3.4 微孔ZSM-5和介孔ZSM-5样品的TEM比较
  • 6.4 介孔ZSM-5负载的Pd-B催化剂在苯乙酮不对称氢化反应中的催化性能
  • 6.5 小结
  • 第七章 总结与展望
  • 7.1 研究总结
  • 7.2 展望
  • 参考文献
  • 个人简历
  • 论文发表情况
  • 致谢

    • 相关论文文献

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