| 金属有机骨架材料的合成及其吸附和催化性能的研究 | |
| 赵华华 | |
| Subtype | 理学博士 |
| Thesis Advisor | 丑凌军 |
| 2013-05-27 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Department | OSSO国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 金属有机骨架材料 Mof-5 巴豆醛 Mil-101 异丁烷 Metal-organic Frameworks Crotonaldehyde Isobutane |
| Abstract | 近年来金属有机骨架材料(MOFs)作为一类新型多孔材料，以其大比表面积、高孔体积和官能团可调控性的优点在气体吸附和催化等领域等受到广泛关注。修饰并开发其性能具有很大的研究意义和实际应用价值。本论文以 MOFs 为出发点，研究了其作为气体吸附材料、催化新材料和分子容器在 H2 吸附、巴豆醛选择加氢和异丁烷催化脱氢方面的应用，研究工作主要包括以下几方面： 1. 研究了室温搅拌法中不同合成条件对MOF-5结构的影响。结果表明空气湿度小于30%是成功制备出MOF-5骨架的关键；CHCl3洗涤充分是合成出大比表面积MOF-5的关键；重点讨论了不同有机过氧化物对MOF-5结构和H2吸附性能的影响，揭示了产物结构与性能之间的关系，给出了可能的解释。少量过氧化物的加入可大大增加产物的比表面积、孔体积和改变产物的形貌。过氧化物与三乙胺可能形成了过氧化物氧化还原引发体系，从而为大比表面积MOF-5的合成提供氧源。MOF-5产物对H2有较强的吸附能力，比文献中相同条件下合成的MOF-5要高出24%左右。 2. 采用室温搅拌法成功制备了热稳定性和化学稳定性均较高的低比表面积金属有机配位聚合物 Zn-MOCP(Zn4O(OH)2(BDC)2(H2O)2.7)。浸渍法成功制备了Ni@Zn-MOCP 催化剂并讨论了其制备和反应条件对巴豆醛选择加氢反应性能的影响。得出结论：该催化剂对 C=O双键加氢无选择性，对C=C双键加氢有较高的选择性；10.0 wt.%催化剂量的Ni@Zn-MOCP在340℃下还原 3 h，于100 ℃、 2.0 MPa 下反应2 h，巴豆醛的转化率和丁醛选择性最优，分别为 96.9%和88.8%。Ni@Zn-MOCP 的转换频率(TOF)比工业催化剂 Ni@SiO2的 TOF 值高 52.6%，但比 Ni@MOF-5 的 TOF 值低 24.1%。这可能是因为 Ni 在大比表面积载体 MOF-5上分散度较高，从而导致高活性。Ni@MOF-5经过循环反应后，活性虽然下降，但丁醛选择性及其骨架结构依然保持。初步试验结果表明Ag@MOF-5催化剂对C=O双键加氢具有一定的活性。 3.溶剂热法合成化学稳定性高、大比表面积和强 Lewis 酸性的铬基MIL-101。详细讨论了不同合成条件对 MIL-101 孔结构的影响，得出结论：HF作pH调节剂，原料摩尔比n(Cr3+):n(BDC):n(HF):n(H2O) = 1:1:0.50:280，于 220 ℃ 晶化10 h 合成的MIL-101比表面积和孔体积最高，分别为 3530.7 m2 ·g-1 和2.01 cm3 ·g-1 。Ag@MIL-101 的巴豆醛选择加氢性能表明：空气焙烧的 Ag@MIL-101的巴豆醇选择性高于 H2 还原处理的催化剂。真空浸渍与加压浸渍法均可提高巴豆醇的选择性。 4.利用 MOFs 的大比表面积和丰富的孔道，创新性地以 MIL-101 为分子容器和铬源，不同铝源制备介孔 Cr2O3/Al2O3 氧化物催化剂并用于异丁烷催化脱氢反应。研究表明：硝酸铝为铝前驱体，不同溶剂、焙烧温度、Cr2O3 负载量、焙烧气氛流速以及溴酸钠对介孔 Cr2O3/Al2O3 氧化物结构有很大的影响。硝酸铝为铝源制备的催化剂形成了铬铝固溶体晶相，有利于异丁烯选择性的提高和抑制积碳的发生。异丙醇铝为铝前驱体制备的催化剂具有高异丁烷转化率。相对于传统浸渍法制备的催化剂，铬铝催化剂虽然具有较低的异丁烷催化活性，但表现出较高的异丁烯选择性和较高稳定性。 5. 以异丙醇铝为铝源，系统研究了不同制备和反应条件对介孔 Cr2O3/Al2O3结构和异丁烷脱氢反应性能的影响，结果得出 Cr2O3 负载量为 10.0 wt.%，K2O添加量为1.5 wt.%，焙烧温度为 800 ℃时，催化剂的异丁烷转化率和异丁烯选择性较高，分别为60.1%和93.2%。当催化剂在N2 气氛下升温至 600 ℃，反应空速为1200 h-1 时催化剂的活性和选择性相对较高。通过一系列表征得出：异丁烷脱氢过程中铬铝催化剂上的活性位点主要为 Cr3+ 物种，并且异丁烯选择性随着催化 剂表面上 Cr3+/Cr6+ 的比值增大而升高。H2 预处理气氛下的催化剂活性和选择性均有所降低，说明Cr6+ 物种对催化剂的初始转化率和选择性有一定的影响。催化剂在脱氢-再生循环过程中表现出了高可再生能力和高稳定性。催化剂的异丁烯选择性和稳定性高于传统催化剂，说明了工业催化剂的异丁烯选择性可以提高。因此我们提出了一种较为简单地制备介孔铬铝催化剂的方法，可潜在地应用于工业中。 |
| Funding Project | 多相选择氧化研究组 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/5547 |
| Collection | 羰基合成与选择氧化国家重点实验室（OSSO） |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 赵华华. 金属有机骨架材料的合成及其吸附和催化性能的研究[D]. 中国科学院大学,2013. |
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