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Chinese Journal of Catalysis 2023年第5期48卷 175-184页

作者：赵志月蒋志伟黄一哲 Mebrouka Boubeche valentina g.matveeva Hector F.garces 罗惠霞严凯中山大学环境科学与工程学院广东广州510006 中山大学材料与工程学院光电材料与技术国家重点实验室广东广州510006 特维尔国立技术大学生物技术与化学系俄罗斯布朗大学工程学院美国

醇类化合物选择性氧化为醛、酸和酯在工业应用中是一类重要的化学反应.按照绿色化学的要求,无溶剂、无外加碱源,以分子氧为氧化剂,对醇类氧化反应提出了重要挑战,特别是无溶剂氧化醇制备酯类化学品.因此开发高效催化剂应用于无溶剂醇氧... 详细信息

醇类化合物选择性氧化为醛、酸和酯在工业应用中是一类重要的化学反应.按照绿色化学的要求,无溶剂、无外加碱源,以分子氧为氧化剂,对醇类氧化反应提出了重要挑战,特别是无溶剂氧化醇制备酯类化学品.因此开发高效催化剂应用于无溶剂醇氧化成为研究热点.目前Pd基贵金属催化剂应用于醇的无溶剂氧化已取得一定进展,但贵金属的稀缺性限制了其工业应用.由于碱性环境可以有效促进醇的氧化,但碱性物质的添加可能导致反应体系的二次污染.此外,Co基非贵金属催化剂可以有效无溶剂氧化醇,但稳定性一般.因此,合成高活性高稳定性催化剂用于醇类化合物的无溶剂选择性氧化是重要的科学问题.本文采用电弧熔炼法可控制备半金属CoSi合金(AM-CoSi),在无溶剂无碱条件下将其应用于六种芳香醇的选择性氧化.采用X射线吸收精细结构谱、电子顺磁共振和球差扫描透射电镜对AM-CoSi催化剂进行结构表征,发现其以钴硅合金的形式存在,具有Co空穴和Si空穴,并且以Si空穴为主.反应结果表明,使用AM-CoSi催化剂在220℃可完全转化苯甲醇,并以70%的产率得到苯甲酸苄酯(BBE),使用无缺陷CoSi合金,只得到9.5%的BBE,说明Si空穴存在可以高效的转化苯甲醇并高产率得到BBE.此外,通过调控反应温度,使用AM-CoSi无溶剂氧化六种芳香醇(带有不同吸电子基团和供电子基团)可高选择性得到对应的醛,选择性高达84%以上.中间体反应实验结果表明,AM-CoSi催化剂具有很好的酯化催化活性,苯甲醇首先氧化成苯甲醛,再氧化成苯甲酸,然后苯甲酸与苯甲醇发生酯化反应生成BBE.采用单组分合金成分和无空穴CoSi合金(S-CoSi)进行催化剂对比实验,发现合金结构和空穴有利于苯甲醇的氧化.设计无空穴CoSi合金、Co空穴CoSi合金和Si空穴CoSi合金三种催化剂模型,并利用密度泛函理论计算模拟苯甲醇在这三种模型上的氧化路径,结果表明,CoSi合金结构促进醇的转化,Si空穴有利于BBE的产生.综上,本文将为其他半金属合金催化剂的合成和应用提供了新思路.

关键词：半金属合金醇氧化无溶剂空穴密度泛函理论计算

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