微波制备高分散氧化锆催化剂及其果糖催化转化性能研究

作     者：慕诗芸 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李鑫钢

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：微波辐射 催化 碳纳米管 氧化锆 果糖转化 5-羟甲基糠醛 

摘      要：糖类催化转化是生产生物质基燃料和高附加值化学品的重要途径。微波是一种重要的外场强化技术,已广泛应用于化工过程强化领域,既可制备优良的催化剂,又可直接提升催化反应速率。由于微波独特的选择性加热特性,高效微波响应材料的开发是提高微波强化效率的关键。本文聚焦微波辐射强化糖类转化过程,以高介电常数的碳纳米管为载体,构建了一种新型的氧化锆基催化剂,利用果糖转化生成5-羟甲基糠醛的反应,对比微波水热与常规水热合成催化剂的活性以及催化剂在常规加热和微波辐射下的催化性能差异,结合表征结果,揭示微波辐射对于材料合成和协同催化过程的强化作用机理,实现生物质的高效绿色转化。首先,从碳基载体的角度,考察吸波性载体与微波耦合对催化剂制备过程的影响。分别通过微波水热和常规水热法制备了碳纳米管负载氧化锆催化剂,命名为MW-Zr O/MWCNTs(C)-8和CH-Zr O/MWCNTs(C)-720,采用X射线衍射、吡啶-红外光谱、电感耦合等离子体发射光谱和透射电镜等方式对催化剂进行表征,并进行果糖催化转化实验。结果表明,与CH-Zr O/MWCNTs(C)-720相比,MW-Zr O/MWCNTs(C)-8的氧化锆负载量和酸度较低,但由于微波制备的氧化锆具有独特的无定形结构、小粒径和高分散性,其表现出更高的催化活性,在120℃下催化果糖分解5 min,5-羟甲基糠醛的收率由CH-Zr O/MWCNTs(C)-720催化的15.70%提升至62.97%。另外,对MW-Zr O/MWCNTs(C)-8催化反应条件进行了优化,在140℃下反应5 min,产物收率达到89.94%,而且具有良好的重复使用性能。通过探究制备过程中载体性质、微波功率、和合成时间等因素对催化剂结构和活性的影响,发现了吸波底物与微波辐射的耦合作用,提出了催化剂在微波场下的生长机制,为高效开发纳米催化剂提供思路。其次,从催化剂碳基载体和氧化物活性位点协同的角度,探究微波辐射对催化反应的强化作用。采用一步水热法,将不同数量的氧化锆负载到羧基化碳纳米管表面(负载量为0～100%),构建了一系列活性基团含量不同的氧化锆/碳纳米管催化剂并对其进行表征。比较氧化锆负载量为60%的Zr O60/CNTs在常规加热和微波辐射条件下的催化实验效果,结果表明在表面氧化锆与载体碳纳米管的协同作用下,微波辐射下复合材料的催化活性明显增强,产物收率由常规加热的30.65%提升至微波催化的74.00%。通过调节一系列氧化锆/碳纳米管催化剂的用量,得到活性基团或吸波性载体含量不同的催化反应体系,比较两种加热条件下的催化结果,提出了载体吸波性能与活性位点催化性能之间的耦合匹配关系,揭示了微波协同催化过程强化机理,为后续微波响应型催化剂的开发提供借鉴。