论文总字数：15772字

摘 要

随着环保意识的加强和环保要求的日益严格，固体超强酸成为当前催化剂领域研究的热点之一。S₂O₈^2-是继 SO₄^2-之后发现的能较好浸渍氧化物的非卤素阴离子，与 SO₄^2-相比，S₂O₈^2-具有更强的促进作用，能够使固体超强酸具有更多的超强酸位和更高的硫含量，有利于提高催化剂的活性。

本文以Fe₂O₃和过硫酸铵为原料，采用研磨法和浸渍法合成固体超强酸S₂O₈^2-/Fe₂O₃催化剂。通过酸量分析和红外分析，证明其有一定酸量，并在红外光谱图上找到了归属于S₂O₈^2-和Fe₂O₃的的特征吸收峰。然后以固体超强酸S₂O₈^2-/Fe₂O₃为催化剂进行乙酸异戊酯的催化反应，考察催化剂的催化性能。结果表明，所得固体超强酸S₂O₈^2-/Fe₂O₃均有较高的催化性能，其中研磨法Fe₂O₃和(NH₄)₂S₂O₈摩尔比2:3的催化效果最好，其中反应时间2h，转化率能达到87.5％，说明他们是一类优良的酯化反应催化剂。

关键词: 固体超强酸 催化剂 S₂O₈^2-/Fe₂O₃ 乙酸异戊酯

Preparation and Catalytic Application of Solid Super acid

Abstract

With the strengthening of environmental awareness and the increasingly stringent environmental requirements, solid super acid catalyst is becoming one of the hotspots in the field of. S₂O₈^2- which is followed the discovery of SO₄^2- to non halogen anions better oxide impregnated, compared with SO₄^2-, S₂O₈^2- has stronger effect, can make the solid super acid with strong acid sites more and more high sulfur content, improve the activity of the catalyst.

In this paper, Fe₂O₃ and ammonium persulfate as raw materials, grinding and impregnation of solid superacid S₂O₈^2-/Fe₂O₃ synthesis catalyst. The amount of acid analysis and by infrared analysis to prove it has a certain amount of acid, and found and attributed to S₂O₈^2-/Fe₂O₃ is characterized in the infrared absorption spectra. Then solid super acid S₂O₈^2-/Fe₂O₃ as a catalyst for iso-amyl acetate catalyzed reaction, investigated the catalytic performance. The results show that the resulting solid super acid S₂O₈^2-/Fe₂O₃ have a higher catalytic performance, the polishing method wherein the catalytic effect of Fe₂O₃ and (NH₄) ₂S₂O₈ molar ratio is preferably 2:3, wherein the reaction time 2h, the conversion rate can reach 87.5% , that they are an excellent class of an esterification catalyst.

Key words: solid super acid catalyst S₂O₈^2-/Fe₂O₃ isoamyl acetate

目 录

摘要 1

Abstract 2

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2固体超强酸的研究现状 1

1.2.1催化性能 饱和烃的异构化反应 1

1.2.2 固体超强酸催化剂的研究现状 2

1.2.3 固体超强酸的改性研究 3

1.2.4 超强酸催化剂酸中心的形成机理 5

1.2.5固体超强酸失活机理 5

1.2.6固体超强酸的主要表征技术 6

1.2.7今后研究方向 6

1.3 本论文研究的目的、意义 7

第二章 铁系固体超强酸S₂O₈^2-/Fe₂O₃的制备 9

2.1前言 9

2.2实验试剂和仪器 9

2.3催化剂的制备 10

2.3.1浸渍法 10

2.3.2研磨法 10

2.4催化剂的表征 10

第三章 铁系固体超强酸S₂O₈^2-/Fe₂O₃催化应用研究 13

3.1实验试剂和仪器 15

3.2实验步骤和现象 16

3.3结果和讨论 16

第四章 结论和展望 18

结论 18

展望 18

致 谢 22

文献综述

1.1 引言

超强酸是比100%的硫酸还要强的酸，其Hammett函数H₀lt;-11.93(100%硫酸的H₀为-11.93)，可分为固态和液态。固体超强酸和液体超强酸相比，有容易与反应物分离，可重复使用，不腐蚀反应器，减少催化剂公害，催化剂有良好的选择性等优点。在催化反应中，固体超强酸对烯烃双键异构化、醇脱水、烯烃烷基化、酸化、醋化等都显示出较高的活性。这种催化剂不腐蚀设备，不污染环境，催化反应温度低，制备简便，有广泛的应用前景^[1]。

固体超强酸是近年来发展的一种新型催化材料，对许多化学反应有较好的催化活性、选择性及重复使用性能。

固体超强酸是近年来研究与开发的一种新型固体酸催化剂，随着人们对固体超强酸不断深入研究，催化剂的种类也从液体含卤素超强酸发展为无卤素固体超强酸、单组分固体超强酸、多组分复合固体超强酸。无论是催化剂的制备、理论探索、结构表征，还是工业应用研究都有了新的发现，固体超强酸由于其特有的优点和广阔的工业应用前景，已受到国内外学者广泛关注，成为固体酸催化剂研究中的热点^[2]。

1.2固体超强酸的研究现状

1.2.1催化性能
饱和烃的异构化反应

饱和烃类分子如正丁烷、戊烷较稳定，不易发生反应。如用100%硫酸作催化剂，室温下不会发生反应，但用SbF₅SiO₂-Al₂O₃固体超强酸却能使丁烷发生反应，主要产物为异丁烷。
氧化反应

SO₄^2--Fe₂O₃能在室温下使丁烷异构化。但在100℃以上用脉冲法进行反应时，只发生氧化反应但是，单用Fe₂O₃作催化剂，即使反应温度为300℃丁烷也不发生反应^[3]。
阴离子聚合反应

烷基乙烯基醚的聚合反应是阴离子聚合反应，可用烷基金属化合物或Ziegler型催化剂。但是SO₄^2--Fe₂O₃对此反应有极高的反应活性。如异丁基乙烯基醚用SO₄^2--Fe₂O₃作催化剂，在 0℃能很快发生聚合反应。甲基乙烯基醚和乙基乙烯基醚在该催化剂存在下以甲苯作稀释剂也能在低温（零度或零度以下）下高速聚合。
烷基化反应

Al₂O₃在600-650℃灼烧3h，再在300-400℃下通2-3h TaF₅,制成吸附型催化剂，室温时苯与乙烯发生烷基化反应，生成78.5%的乙基苯和21.5%的二乙基苯。苯的转化率为，用石墨负载BF₃作催化剂，苯与氟代丁烷在室温发生烷基化反应，5min后转化率达100%。用吸附BF₃的离子交换树脂作催化剂，异构烷烃和烯烃发生烷基化反应。
酯化反应

由于固体超强酸在催化有机合成中不仅具有非常高的活性，而且防水性好，耐高温，制备方便,因此在工业生产中很有应用前景。
乳酸 正丁醇 →乳酸正丁酯

乳酸正丁酯的收率高达97%，其催化性能远高于分子载体FeCl₃路易斯酸。
1.2.2 固体超强酸催化剂的研究现状

自报道了首例M_XO_Y/SO₄^2-型固体超强酸以来，由于其能在较温和的条件下活化酸催化反应，还具有选择性高，副反应少，易和反应物分离，对设备不腐蚀，可重复使用，废催化剂处理简单，对环境污染少等优点，而迅速成为催化剂领域中的研究热点，如SO₄^2-/ZrO₂、SO₄^2-/Fe₂O₃、Al₂O₃/SO₄^2-，并代替传统的酸催化剂广泛应用于有机反应中。同时，复合型固体超强酸催化剂更被人们所关注复合结果是进一步提高固体超强酸的酸强度，引入其他元素的催化特性并使其综合性能更加优化，从而具有更高的应用价值^[4]。

1.2.3单组分固体超强酸的研究
锆系固体超强酸

用SO₄^2-/ZrO₂为催化剂，催化合成马来酸单糠醇酯，还可以。将SO₄^2-/ZrO₂用于催化苯甲醛与乙酸酐的缩醛反应。用于异丁烷/(异)丁烯烷基化反应的物质主要以ZrO₂、TiO₂和SiO₂等氧化物作载体，通过浸渍硫酸和磷酸等无机酸制得。其中报道较多的是SO₄^2-/ZrO₂和S₂O₈^2-/ZrO₂。在适当的条件和SO₄^2-/ZrO₂催化剂的作用下，丁烯的转化率可以达到100%，产物中C8组分达到80%以上。
铁系固体超强酸

固体超强酸SO₄2-/ZrO₂为催化剂，可用来用苯和硝酸为原料合成硝基苯，收率达83.9%。而纳米固体超强酸催化SO₄2-/ZrO₂为催化剂时，甲苯硝化的区域选择性和活性提高^[5]。

多组分复合固体超强酸催化剂的研究

在单组分固体超强酸催化剂的应用中，人们发现主要活性组分SO₄^2-在反应中较易流失，特别是在较高温度条件下容易失活。这类单组分固体催化剂虽然有较好的起始催化活性，但单程寿命较短，通过改性催化剂的载体，使催化剂能提供合适的比表面积、增加酸中心密度、酸种类型等作用。目前改性研究的方向主要有：以金属氧化物ZrO₂、TiO₂和Fe₂O₃为母体，加入其他金属或氧化物形成多组元固体超强酸；引入稀土元素改性；引入特定的分子筛及纳米级金属氧化物等。

复合固体超强酸催化剂种类主要有复合其他金属氧化物型固体超强酸，复合稀土元素型固体超强酸，磁性复合固体超强酸和分子筛及交联剂负载型复合固体超强酸。

磁性复合固体超强酸是将固体超强酸做成超细微粒的纳米催化剂具有很多优点，但由于催化剂粒径过小，不易与反应体系分离，因此设计将催化剂磁载，利用外加磁场进行分离是一个比较好的方法。

1.2.3 固体超强酸的改性研究

固体超强酸由负载物(或称促进剂)和载体两部分组成。早期固体超强酸的负载物主要是含卤素的化合物。尽管这类催化剂对各类化学反应都有较好的催化活性，但在反应过程中有卤素析出，对反应装置腐蚀严重，污染环境。因此，随着各国对环境保护的日益重视，人们提出了开发和研究不污染环境、对生产设备无腐蚀的新一代固体超强酸催化剂^[6]。

促进剂的改性

自1979年日本学者M.Hino等人报道了用SO₄^2-作促进剂合成SO₄^2-/TiO₂、SO₄^2-/ZrO₂催化剂后，人们主要集中于研究这类无卤素单组分固体超强酸催化剂的制备与应用，合成了各种含SO₄^2-负载物的催化剂，极大地丰富了催化反应与应用领域，主要有锆系(SO₄^2-/ZrO₂)、钛系(SO₄^2-/TiO₂)、铁系(SO₄^2-/Fe₃O₄)，并用于多种催化反应体系，此外，还对以金属氧化物为促进剂制备超强酸进行了新的探索，至今有报道的负载氧化物有WO₃、MoO₃和B₂O₃，它们对酰化、烷烃异构、烯烃齐聚及氧化反应都有较高催化活性。。制备这类催化剂的主要方法有浸渍法、机械混合法、共沉淀法和凝胶法^[7]。
①载体的改性

在单组分固体超强酸催化剂的应用中，人们发现主要活性组分SO₄^2-在反应中较易流失，特别是在较高温度条件下容易失活，这类单组分固体催化剂虽然有较好的起始催化活性，但单程寿命较短。通过改性催化剂的载体使催化剂能提供合适的比表面积、增加酸中心密度、酸种类型、增加抗毒物能力、提高机械强度等作用。目前改性研究的方向主要有:以金属氧化物ZrO₂、TiO₂和Fe₂O₃为母体，加入其他金属或氧化物形成多组元固体超强酸;引入稀土元素改性;引入特定的分子筛及纳米级金属氧化物等^[8]。
②引入其他金属或金属氧化物

固体超强酸催化剂的制备对金属氧化物有特殊要求。有些氧化物如MgO、CaO、CuO、ZnO、CdO、La₂O₃、MaO和ThO₂等，用一定浓度的SO₄^2-进行处理后，其酸催化活性并没有提高，说明并不是所有的金属氧化物都具有合成固体超强酸的条件，因为这不仅与氧化物的电子构成有关，而且还和金属离子的电负性及配位数的大小有密切联系。金属氧化物的电负性和配位数严重影响着与促进剂SO₄^2-离子形成配位结构，因而有的得不到超强酸，或者生成相应的硫酸盐而只能得到表面酸性较小的固体酸。此外，还与氧化物的晶态有关，金属氧化物与SO₄^2-离子结合主要有3种配位方式:单配位、螯合双配位和桥式配位^[9]。
③引入稀土元素

研究表明，加入稀土Dy₂O₃可改善SO₄^2-/Fe₃O₄型铁基固体催化剂的活性，对合成反应的稳定性有一定的提高，也有人将稀土元素Th引入铁基固体超强酸催化剂的改性研究中。

陈里等人用稀土La对钛基催化剂进行改性，制备了SO₄^2-/Ti₂La₂O型催化剂并研究了它在催化方面的应用;徐景士等人制备了含稀土的固体超强酸催化剂并将其用于合成羟基苯甲酸醚及酯化反应，发现含稀土固体超强酸催化剂显示出较高的催化活性，并具有较好的稳定性，催化剂可重复使用^[10~11]。
④引入分子筛

对SO₄^2-/MxOy型超强酸催化剂改性使其具有一定的孔结构的研究工作，近年来受到了许多研究者的重视，并在这方面做了许多有意义的探索工作。如将锆系或钛系氧化物负载于分子筛上，然后用硫酸处理以制备具有高比表面积和一定孔结构的催化剂^[14~15]。

用分子筛和稀土同时引入以制备改性的ZrO^2-Dy₂O₃/SO₄^2-HZSM-5固体超强酸催化剂，其中的ZrO₂以四方晶体存在，具有较大的比表面积(BET法)和较强的表面酸性，用于进行酯化反应时的催化剂有较好的催化反应活性。
⑤引入纳米粒子

为了进一步提高固体超强酸的活性和使用寿命，人们开始探索用超细纳米氧化物作为载体，进行固体超强酸制备的研究。

固体超强酸理论及表征研究固体超强酸的理论研究主要集中在超强酸催化剂的酸中心的形成及失活的机理方面;对催化剂的表征主要针对固体催化剂的组成、表面酸性、酸性种类、酸性分布、固体晶体类型及BET表面积等进行研究，并将催化剂结构与各类合成反应机理进行关联^[17]。
1.2.4 超强酸催化剂酸中心的形成机理

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