CoMn2O4和类普鲁士蓝纳米粒子的催化应用研究
众所周知，催化反应是能源、生物以及化工工业中的重要生产手段，而催化剂则是这些催化反应中至关重要的参与成分。寻找高效、环保的催化剂一直是催化反应中的研究重点。与传统的金属催化剂相比，氧化物催化剂具有制备简单、反应中不易出现聚集现象、催化效果稳定等优势而在近年来得到了越来越多的关注。本文中首次将利用水热法制备的CoMn2O4复合氧化物粒子作为催化剂用于对硝基苯酚催化加氢反应中并测试了其循环稳定性，实验结果表明在500℃下制备的CoMn2O4催化活性最高(kapp=14.95×10-3 s-1)这一结果比部分文献中报道的贵金属的催化活性还要高(Au，Ag和Pd)。同时结合实验数据以及相关文献报道提出了可能的催化机制;CoMn2O4中Co(d7)元素和Mn(d5)元素特殊的电子轨道结构以及其层状微球结构的形貌有利于对硝基苯酚催化反应的进行。此外，MOF结构在近年来由于其具有形貌规则、比表面积大、表面活性位点多等特点而受到关注，因此在本文中还研究了将MOF结构作为催化剂应用于HMF选择性催化加氢制备DMF反应中，通过一系列的类普鲁士蓝MOF结构的催化性能测试，证明了这类MOF结构对HMF选择性催化加氢制备DMF反应具有一定活性，而且不同组分、不同形貌的MOF结构的催化效果也不一样。具体研究内容如下: 首先通过水热法制备了CoMn2O4复合氧化物粒子前驱体，然后将前驱体在不同温度下进行煅烧处理，得到具有不同结晶度的CoMn2O4复合氧化物粒子。SEM、XRD以及XPS等表征结果表明不同温度下制备的CoMn2O4复合氧化物粒子均为均匀分散的层状微球结构，而且不同温度下制备的粒子成分以及晶相均没有区别，但是煅烧温度的改变会影响CoMn2O4复合氧化物粒子中Mn2+/Mn3+的比例。 将在不同温度下制备的CoMn2O4复合氧化物粒子用于对硝基苯酚催化加氢实验中，研究了不同温度下制备的催化剂活性的差异，并测试了循环催化稳定性。测试结果表明，在实验中制备的四组CoMn2O4复合氧化物粒子对对硝基苯酚催化加氢反应均有较高的催化活性，而且循环稳定性也较好，在六次循环实验中，没有催化剂失活现象。其中，C500(500℃下煅烧制备的CoMn2O4复合氧化物粒子)的催化活性最高，比部分文献中报道的贵金属催化剂的催化活性还要高，这意味着CoMn2O4氧化物催化剂有望应用于对硝基苯酚催化加氢的工业化生产中。最后，我们结合实验结果以及相关文献报道，提出了在这个催化反应中，CoMn2O4复合氧化物粒子催化剂可能的催化机制，在该机制中我们认为CoMn2O4复合氧化物中氧化还原电对在催化反应中起到至关重要的作用，两对氧化还原电对之间的协同作用有利于反应中电子的传递。 在本论文中，我们还尝试将MOF结构直接作为催化剂用于HMF加氢反应中，四种不同组分MOF结构催化剂的催化活性结果表明这四种MOF对HMF选择性加氢催化反应均有一定活性，其中Ce[Co(CN)6]的催化活性最高。然后我们通过改变制备条件得到了具有不同形貌的Ce[Co(CN)6]MOF结构，通过不同形貌的Ce[Co(CN)6]MOF结构的催化效果对比发现，不同形貌的Ce[Co(CN)6]MOF结构催化效果不一样，其中花状结构的Ce[Co(CN)6]催化效果最好。当然，目前的工作还是初步的，未来需要对整个反应进行更加全面的研究，包括对产物进行分离、用核磁共振和红外光谱分析予以确认和对催化机制的研究。
CoMn2O4;类普鲁士蓝;纳米催化剂;对硝基苯酚;催化加氢反应;催化活性
中国科学技术大学
硕士
材料物理与化学
陈乾旺
2015
中文
TQ426.83;O643.38
80
2015-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）