钒基催化剂催化氧化生物质基5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的研究

作     者：廖龙飞 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘颖

授予年度：2017年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：生物质 5-羟甲基糠醛 2,5-二甲酰基呋喃 催化氧化 

摘      要：近年来,生物质被认为是自然界中唯一可代替化石资源用于生产液体燃料和化学品的可再生资源。因此,生物质衍生碳水化合物转化为5-羟甲基糠醛和2,5-二甲酰呋喃在科学和工业界吸引了极大的关注。根据最新的研究进展以及在5-羟甲基糠醛转化制备2,5-二甲酰呋喃的生产中存在的问题,本论文进行了一系列具有绿色化学理念的研究,该项工作主要探究合成具有绿色、高效、低成本和容易回收催化剂,用于生物质衍生物5-羟甲基糠醛的有氧氧化反应。在本论文中,针对5-羟甲基糠醛催化氧化制备2,5-二甲酰呋喃的反应,探索合成了一种磁性核壳式纳米颗粒联合催化剂。制备过程中,首先,使用FeO作核SiO为壳,再采用3-氨丙基三乙氧基硅烷氨基功能化FeO@Si O2进行改性用于固定VO和Cu催化活性物质,制备FeO@SiO-NH2-VO和FeO@SiO-NH-Cu催化剂,随后使用高速离心洗涤去除物理吸附的其他物质。通过对反应前后的催化剂进行X射线(XRD)、扫描电镜(SEM)、傅里叶红外(FT-IR)、透射电镜(TEM)以及振动样品磁强计(VSM)等多种检测技术表征,以探索反应样品的结构与其催化转化效率之间的联系。通过使用FeO@SiO-NH-Cu作为助催化剂,可以显着提高FeO@SiO-NH-VO在5-羟甲基糠醛氧化反应中的催化活性。除此之外,该催化剂具有较强的稳定性,通过外加磁体就可将催化剂分离并用于下一次循环反应。作为与其他催化剂的比较,为了提高催化剂的比表面积,制备氨基功能化介孔分子筛MCM-41,用于将5-羟甲基糠醛氧化转化制备2,5-二甲酰呋喃。通过氨基功能化的MCM-41接枝VO和Cu,分别得到MCM-NH-VO和MCM-NH-Cu催化剂。与单纯浸渍法负载在介孔二氧化硅上相比,该催化剂表现出较好的稳定性和催化活性。另外,本论文还通过分子设计分散法制不同负载量的VO/SBA-15催化剂,并且进行多种表征手段,如氮气脱附吸附,傅里叶-拉曼(FT-Raman),X射线衍射(XRD),透射电镜(TEM),漫反射谱(DRS)和电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)等。特别指出,在温和条件且存在分子氧的情况下,采用10%V2O5/SBA-15作为催化剂,5-羟甲基糠醛转化率和2,5-二甲酰呋喃的选择性最高,归因于在该催化剂中,钒物种均匀有序分布在二维六方通孔结构SBA-15的孔表面。总之,催化剂特征结果表明,VO可在Cu的存在的条件下可被氧化获得V物种,该氧化反应涉及V/V氧化还原循环过程。本研究为5-羟甲基糠醛氧化转化制备2,5-二甲酰呋喃提供了一条低成本且具有一定工业化前景的工艺路线。