多羟基有机催化剂催化二氧化碳化学转化研究

作     者：白宇鹲 

作者单位：中南民族大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨海健;王利华

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：二氧化碳化学转化 THEED TBAI 聚离子液体催化剂 多羟基双(季铵)离子液体催化剂 选择性 

摘      要：温室气体的排放,造成温室效应,使得全球气温上升,其中最主要的温室气体为二氧化碳(CO),它是一种无色、无臭、无味、无毒和不助燃且极易获得的气体,因此,其作为一种可替代传统化石燃料的碳一(C1)资源,可合成多种重要化学物质,并受到广泛关注。本论文将开发CO化学转化所需催化剂作为重点并通过构筑碳-氧键(C-O)、碳-氮键(C-N)合成相应的高附加值的化学品,在环境保护及资源利用等方面有着重要意义,具体的研究内容如下:1.采用了廉价易得的N,N,N’,N’-四(2-羟乙基)乙二胺(THEED)与四丁基碘化铵(TBAI)组成二元催化体系,通过催化CO与异丙基缩水甘油醚在常压下进行耦合反应构筑C-O键生成环状碳酸酯。系统地探讨了温度、助催化剂等因素对反应的影响,得到最佳的反应条件为:催化剂用量n(THEED)︰n(TBAI)=1︰4,反应温度60℃,反应时间24h。在最佳条件下高产率高选择性地生成碳酸丙烯酯(PC)。该二元催化体系对环氧烷底物具有良好的适应性,能催化多种末端环氧烷与二氧化碳的耦合反应。最后,提出了一条可能的催化反应机理。2.根据二元体系催化剂的催化原理进而设计、合成了二种单组分双功能的聚离子液体催化剂PIL1和PIL2,运用FTIR、TEM、SEM和TGA等分析测试手段对该催化剂的结构、形貌等进行了表征。将以PIL1和PIL2分别为催化剂,应用于催化CO与PO的耦合反应,系统探讨了最适催化剂、催化剂用量、温度、CO压力和时间对催化活性的影响,得出了最佳的反应条件为:在CO压力3MPa,温度120℃条件下反应6h,其中最适催化剂PIL1,反应物PO用量28.5 mmol,催化剂用量0.1g。在最佳条件下,PIL1还可以催化多种环氧烷与CO的耦合反应,合成的环状碳酸酯均有较好较高的产率,产物的选择性均达到99%。提出了一个可能的反应机理。3.由于聚离子液体催化剂粘性过大,在催化CO与PO的耦合反应时溶解性较差,所需外加条件过于苛刻,因此又设计、合成一系列多羟基双(季铵)离子液体(ILs1-7),并用作双功能催化剂,在无助催化剂、无金属、无溶剂的情况下催化PO与CO耦合反应,高产率高选择性地生成PC。详细研究了影响产率的可能因素如:催化剂用量,催化剂种类、温度、CO压力及反应时间等,并筛出最优条件(100°C,2MPa,3h,ILs1用量为0.5 mol%)。该催化剂在常压环境下仍可催化CO转化反应。除此以外,基于室温、无溶剂、无金属、无助催化剂,此系列催化剂仍能催化多种氮丙啶与CO反应以构筑C-N键,高产率、高选择性地生成5-取代恶唑烷酮和4-取代恶唑烷酮。最后,根据文献和实验结果,提出了一种可同时激活环氧化物和二氧化碳的催化机理。