CN109603912A - 一种金属有机框架结构催化剂及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属有机框架结构催化剂及其应用,涉及化学材料技术领域,所述催化剂是通过将磷钨酸水合物、硝酸铜在去离子水磁力搅拌溶解得去离子水溶液,将均苯三甲酸甲酯和十六烷基三甲基溴化铵用无水乙醇溶解,滴加所述去离子水溶液后,混合搅拌30分钟常温静置老化合成固体材料,固体材料用去离子水过滤洗涤后真空干燥,干燥后与乙醇、乙酸回流,用去离子水与无水乙醇混合溶液过滤洗涤催化剂并干燥得到催化剂;该催化剂可用于合成酯类润滑油制备,季戊四醇、有机酸、催化剂、甲苯在135℃‑170℃反应6h经离心分离、旋转蒸发得季戊四醇多元醇酯,本发明通过改变十六烷基三甲基溴化铵用量调控催化剂的形貌、孔容等,所述催化剂具有较高的催化活性。

Description

一种金属有机框架结构催化剂及其应用
技术领域
本发明涉及化学材料技术领域,具体是一种金属有机框架结构催化剂及其应用。
背景技术
合成酯类基础油由于其具有优异的高低温性能、润滑性能及其它良好的综合性能,一直作为航空润滑油料的关键组分在航空领域发挥着不可或缺的作用。因合成酯类基础油具有性能可调、原料来源可再生、环境友好等特点,其在汽车、冶金、水泥等行业具有重要潜在应用。国际方面在合成酯构效关系、制备工艺、性能及应用等方面开展了大量的研究工作,但其研究深度和系统性等方面仍需进一步加深和完善。国内合成酯基础理论与关键技术匮乏,合成酯工业基本处于空白,这种情况制约了我国航空等高新技术工业的突破和交通运输等行业节能技术的发展。因此,发展符合要求的高性能合成酯类润滑基础油是解决上述问题关键因素。
合成酯是有机醇与有机酸通过酯化反应得到的产物,酯化反应本身简单,反应物在热和催化剂的作用下生成酯类化合物和水。酯化反应可以在无催化剂下进行,但反应速度较慢,所以在生产实践中,一般加入催化剂。传统的均相催化剂催化合成季戊四醇四脂肪酸酯能获得高的转化率,但是存在四取代产物的选择性很难提高的问题,均相催化剂有腐蚀设备、易污染环境等缺点。近年来开发的环境友好的催化剂(树脂、固体酸等)可以克服均相催化剂的问题,缺陷是低传质能力和易失活阻碍化学计量比条件下反应高效进行,残留的脂肪酸会对合成酯的润滑性产生负面影响。
近年来,多孔材料因其具有多功能化的特征而得到迅猛发展。金属有机框架结构作为一类高结晶的多孔固体材料得到广大科研工作者的关注,金属有机框架结构具有很大潜在应用,比如:气体存储,净化,分离和催化,优于常用的微孔和介孔无机材料,具有较大的比表面积,高可设计性和具有均匀孔径的可控孔结构,可以很容易的修饰和改编。较大的比表面积和孔容、丰富的孔结构,有利于催化反应过程中底物和产物的扩散和传输,进而大大提高催化剂的催化活性等优点,因此,金属有机框架结构作为催化剂具有重要的应用前景。
发明内容
本发明提供一种金属有机框架结构催化剂及其应用,解决了现有技术中的金属有机框架结构催化剂具有形貌、孔容、孔径等特征不易调控的问题的问题,运用双模板法制备了金属有机框架结构(CTA)1/3[Cu46(C9H3O6)24(OH)12](PW12O40)3·xH2O,并将COK-15b催化剂用于季戊四醇多元醇酯润滑油的合成。
本发明是这样实现的:所述催化剂通式为(CTA)1/3[Cu46(C9H3O6)24(OH)12](PW12O40)3·xH2O,其中40≤x≤56;
通过以下方法制备:
1)称取5.76g磷钨酸水合物、8.7g三水合硝酸铜于圆底烧瓶中,加入72毫升去离子水磁力搅拌下溶解,得去离子水溶液;4.2g均苯三甲酸甲酯和一定量的十六烷基三甲基溴化铵用96毫升无水乙醇溶解,并用分压漏斗滴加入72ml所述去离子水溶液中,混合溶液搅拌30分钟后常温静置老化5天,合成固体材料;将所述固体材料用去离子水过滤洗涤后真空干燥后,加入烧瓶,并向其中加入250毫升乙醇和1.5毫升乙酸,在77℃条件下回流1小时去除多余的十六烷基三甲基溴化铵,用去离子水与无水乙醇体积比为50:50的混合溶液过滤洗涤并干燥,得到初产物;
2)将步骤(1)的初产物在60℃~100℃真空干燥12-24h小时,得到金属有机框架结构催化剂。
作为进一步地优选,所述十六烷基三甲基溴化铵为0.06-0.60g。
金属有机框架结构催化剂在合成酯类润滑油制备中的应用,季戊四醇、有机酸、金属有机框架结构催化剂、甲苯混合后在反应温度为135℃-170℃的环境下,反应6h后经离心分离、旋转蒸发得季戊四醇多元醇酯。
作为进一步地优选,所述季戊四醇与有机酸的摩尔比为4:1。
作为进一步地优选,所述金属有机框架结构催化剂与季戊四醇的质量比1:9。
作为进一步地优选,所述有机酸为正戊酸、正己酸、正庚酸、正辛酸、正壬酸或正癸酸中的任意一种。
本发明的有益效果:采用双模板法通过改变十六烷基三甲基溴化铵的用量调控金属有机框架结构催化剂的形貌、孔容、孔径和比表面积,使得其孔容在0.015-0.12cm3/g、孔径在7~40nm、比表面积在8~50m3/g范围内可调。本发明提供的COK-15b催化剂可用于季戊四醇多元醇酯润滑油的合成,可在相对较低反应温度及较短时间内获得高于91%的酯化反应收率,催化剂较易分离。
附图说明
图1为本发明实施例2制得的COK-15b2催化剂的氮气吸附等温线;
图2为本发明实施例2制得的COK-15b2催化剂的TG图;
图3为本发明实施例2制得的COK-15b2扫描电镜和X射线衍射图。
具体实施方式
下面将结合本发明的具体实施例与附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
一种金属有机框架结构催化剂,所述催化剂通式为(CTA)1/3[Cu46(C9H3O6)24(OH)12](PW12O40)3·xH2O,其中40≤x≤56;
通过以下方法制备:
1)称取5.76g磷钨酸水合物、8.7g三水合硝酸铜于圆底烧瓶中,加入72毫升去离子水磁力搅拌下溶解,得去离子水溶液;4.2g均苯三甲酸甲酯和一定量的十六烷基三甲基溴化铵用96毫升无水乙醇溶解,并用分压漏斗滴加入72ml所述去离子水溶液中,混合溶液搅拌30分钟后常温静置老化5天,合成固体材料;将所述固体材料用去离子水过滤洗涤后真空干燥后,加入烧瓶,并向其中加入250毫升乙醇和1.5毫升乙酸,在77℃条件下回流1小时去除多余的十六烷基三甲基溴化铵,用去离子水与无水乙醇体积比为50:50的混合溶液过滤洗涤并干燥,得到初产物;
2)将步骤(1)的初产物在60℃~100℃真空干燥12-24h小时,得到金属有机框架结构催化剂。
进一步地,所述十六烷基三甲基溴化铵为0.06-0.60g。
金属有机框架结构催化剂在合成酯类润滑油制备中的应用,季戊四醇、有机酸、金属有机框架结构催化剂、甲苯混合后在反应温度为135℃-170℃的环境下,反应6h后经离心分离、旋转蒸发得季戊四醇多元醇酯。
进一步地,所述季戊四醇与有机酸的摩尔比为4:1。
进一步地,所述金属有机框架结构催化剂与季戊四醇的质量比1:9。
进一步地,所述有机酸为正戊酸、正己酸、正庚酸、正辛酸、正壬酸或正癸酸中的任意一种。
实施例1
COK-15b催化剂的合成
步骤一.称取5.76g磷钨酸水合物、8.7g三水合硝酸铜于圆底烧瓶中,加入72毫升去离子水磁力搅拌下溶解,得到去离子水溶液。4.2g均苯三甲酸甲酯和0.06g十六烷基三甲基溴化铵用96毫升无水乙醇溶解,并用分压漏斗滴加至72毫升所述去离子水溶液中。混合溶液搅拌30分钟后常温静置老化5天,合成固体材料;所述固体材料用去离子水过滤洗涤后真空干燥,得到初级产物;
步骤二.干燥好的初级产物加入到烧瓶中,向其中加入250毫升乙醇和1.5毫升乙酸在77℃条件下回流1小时以排出多余的十六烷基三甲基溴化铵,用去离子水与无水乙醇50:50(体积比)混合溶液过滤洗涤催化剂并干燥标记为COK-15b1。
实施例2
COK-15b催化剂的合成
步骤一.称取5.76g磷钨酸水合物、8.7g三水合硝酸铜于圆底烧瓶中,加入72毫升去离子水磁力搅拌下溶解,得到去离子水溶液。4.2g均苯三甲酸甲酯和0.12g十六烷基三甲基溴化铵用96毫升无水乙醇溶解,并用分压漏斗滴加至72毫升所述去离子水溶液中。混合溶液搅拌30分钟后常温静置老化5天,合成固体材料;所述固体材料用去离子水过滤洗涤后真空干燥;
步骤二.干燥好的初级产物加入到烧瓶中,向其中加入250毫升乙醇和1.5毫升乙酸在77℃条件下回流1小时以排出多余的十六烷基三甲基溴化铵,用去离子水与无水乙醇50:50(体积比)混合溶液过滤洗涤催化剂并干燥,标记为COK-15b2。
实施例3
COK-15b催化剂的合成
步骤一.称取5.76g磷钨酸水合物、8.7g三水合硝酸铜于圆底烧瓶中,加入72毫升去离子水磁力搅拌下溶解,得到去离子水溶液。4.2g均苯三甲酸甲酯和0.24g十六烷基三甲基溴化铵用96毫升无水乙醇溶解,并用分压漏斗滴加至72毫升所述去离子水溶液中。混合溶液搅拌30分钟后常温静置老化5天,合成固体材料;所述固体材料用去离子水过滤洗涤后真空干燥;
步骤二.干燥好的初级产物加入到烧瓶中,向其中加入250毫升乙醇和1.5毫升乙酸在77℃条件下回流1小时以排出多余的十六烷基三甲基溴化铵,用去离子水与无水乙醇50:50(体积比)混合溶液过滤洗涤催化剂并干燥,标记为COK-15b3。
图1是本发明实施例2制得的COK-15b2催化剂的氮气吸附等温线。如图1所示,该材料具有明显的IV型吸附等温线,说明材料具有典型的介孔结构。
图2是本发明实施例2制得的COK-15b2催化剂TG图。从图中可以看出该催化剂的热分解分为两个部分,首先,从40℃到120℃范围内的失重对应于催化剂吸附的水分和其表面羟基缩和所失去的水的质量。其次,290-420℃范围内的失重则对应于催化剂自身结构的分解。
图3是本发明实施例2制得的COK-15b2催化剂扫面电镜图和X射线衍射图。从图中可以看出,该催化材料具有八面体结构,丰富的孔道且分布比较均匀,与BET表征的结果一致,而丰富的纳米多孔结构有利于物质的扩散和传输,进一步提高了本发明制备催化剂的催化活性。
实施例4
COK-15b催化剂的合成
步骤一.称取5.76g磷钨酸水合物、8.7g三水合硝酸铜于圆底烧瓶中,加入72毫升去离子水磁力搅拌下溶解,得到去离子水溶液。4.2g均苯三甲酸甲酯和0.36g十六烷基三甲基溴化铵用96毫升无水乙醇溶解,并用分压漏斗滴加至72毫升所述去离子水溶液中。混合溶液搅拌30分钟后常温静置老化5天,合成固体材料;所述固体材料用去离子水过滤洗涤后真空干燥;
步骤二.干燥好的初级产物加入到烧瓶中,向其中加入250毫升乙醇和1.5毫升乙酸在77℃条件下回流1小时以排出多余的十六烷基三甲基溴化铵,用去离子水与无水乙醇50:50(体积比)混合溶液过滤洗涤催化剂并干燥,标记为COK-15b4。
实施例5
COK-15b催化剂的合成
步骤一.称取5.76g磷钨酸水合物、8.7g三水合硝酸铜于圆底烧瓶中,加入72毫升去离子水磁力搅拌下溶解,得到去离子水溶液。4.2g均苯三甲酸甲酯和0.48g十六烷基三甲基溴化铵用96毫升无水乙醇溶解,并用分压漏斗滴加至72毫升所述去离子水溶液中。混合溶液搅拌30分钟后常温静置老化5天,合成固体材料;所述固体材料用去离子水过滤洗涤后真空干燥;
步骤二.干燥好的初级产物加入到烧瓶中,向其中加入250毫升乙醇和1.5毫升乙酸在77℃条件下回流1小时以排出多余的十六烷基三甲基溴化铵,用去离子水与无水乙醇50:50(体积比)混合溶液过滤洗涤催化剂并干燥,标记为COK-15b5。
实施例6
COK-15b催化剂的合成
步骤一.称取5.76g磷钨酸水合物、8.7g三水合硝酸铜于圆底烧瓶中,加入72毫升去离子水磁力搅拌下溶解,得到去离子水溶液。4.2g均苯三甲酸甲酯和0.60g十六烷基三甲基溴化铵用96毫升无水乙醇溶解,并用分压漏斗滴加至72毫升所述去离子水溶液中。混合溶液搅拌30分钟后常温静置老化5天,合成固体材料;所述固体材料用去离子水过滤洗涤后真空干燥;
步骤二.干燥好的初级产物加入到烧瓶中,向其中加入250毫升乙醇和1.5毫升乙酸在77℃条件下回流1小时以排出多余的十六烷基三甲基溴化铵,用去离子水与无水乙醇50:50(体积比)混合溶液过滤洗涤催化剂并干燥,标记为COK-15b6。
实施例7
催化反应:以季戊四醇和正己酸酯化反应得到季戊四醇四正己酸酯为模型反应,按照化学计量比4:1(摩尔比)分别称取1.8g季戊四醇和6.13g正己酸于100mL三口烧瓶中,分别加入0.2g实施例1-6所得的COK-15b催化剂,2mL甲苯作为除水剂,155℃反应6h,产物经离心分离、旋转蒸发后参考国标GB/T4945-2002测量产物酸值,通过酸值对产物的酯化程度进行分析,分析结果见表1。其中酯化率的计算公式见公式(1):
酯化率(%)=[(1-产物酸值/初始酸值)×酸醇摩尔比÷4]×100%(1)
表1不同催化剂催化季戊四醇与正己酸酯化反应性能测试结果
表1体现不同载体负载的离子液体催化剂的催化活性区别,由表1可见,实施例2制得的COK-15b2,也就是十六烷基三甲基溴化铵加入量为0.12g的时候,催化剂具有最优的催化活性。
实施例8
催化反应:按照季戊四醇与正戊酸的摩尔比为4:1分别称取1.8g季戊四醇和5.45g正戊酸于100mL三口烧瓶中,加入0.2g COK-15b2催化剂,2mL甲苯作为除水剂,135℃反应6h,产物经离心分离、旋转蒸发后加入一定质量的三苯甲烷作为内标,通过核磁共振对产物进行定量分析。
实施例9
催化反应:除了将正戊酸改为等摩尔量的正己酸,反应温度为155℃,其它内容均与实施例8相同。
实施例10
催化反应:除了将正戊酸改为等摩尔量的正庚酸,反应温度为160℃,其它内容均与实施例8相同。
实施例11
催化反应:除了将正戊酸改为等摩尔量的正辛酸,反应温度为160℃,其它内容均与实施例8相同。
实施例12
催化反应:除了将正戊酸改为等摩尔量的正壬酸,反应温度为165℃,其它内容均与实施例8相同。
实施例13
催化反应:除了将正戊酸改为等摩尔量的正癸酸,反应温度为170℃,其它内容均与实施例8相同。
实施例8-13的催化反应结果见表2。
表2 COK-15b2催化合成酯类润滑基础油的实验结果
表2列出了COK-15b2催化合成几种酯类基础润滑油的测试结果。由表2可见,COK-15b2催化剂对于催化合成多元醇酯类基础润滑油表现出了优异的性能,在相对较低反应温度及较短时间内获得高于91%的酯化反应收率,且催化剂较易分离。对于其它结构季戊四醇酯的合成也表现出较好的催化性能,产物收率最高可达98%。
本发明的有益效果:采用双模板法通过改变十六烷基三甲基溴化铵的用量调控金属有机框架结构催化剂的形貌、孔容、孔径和比表面积,使得其孔容在0.015-0.12cm3/g、孔径在7~40nm、比表面积在8~50m3/g范围内可调。本发明提供的COK-15b催化剂可用于季戊四醇多元醇酯润滑油的合成,可在相对较低反应温度及较短时间内获得高于91%的酯化反应收率,催化剂较易分离。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种金属有机框架结构催化剂,其特征在于,所述催化剂通式为(CTA)1/3[Cu46(C9H3O6)24(OH)12](PW12O40)3·xH2O,其中40≤x≤56;
通过以下方法制备:
1)称取5.76g磷钨酸水合物、8.7g三水合硝酸铜于圆底烧瓶中,加入72毫升去离子水磁力搅拌下溶解,得去离子水溶液;4.2g均苯三甲酸甲酯和一定量的十六烷基三甲基溴化铵用96毫升无水乙醇溶解,并用分压漏斗滴加入72ml所述去离子水溶液中,混合溶液搅拌30分钟后常温静置老化5天,合成固体材料;将所述固体材料用去离子水过滤洗涤后真空干燥后,加入烧瓶,并向其中加入250毫升乙醇和1.5毫升乙酸,在77℃条件下回流1小时去除多余的十六烷基三甲基溴化铵,用去离子水与无水乙醇体积比为50:50的混合溶液过滤洗涤并干燥,得到初产物;
2)将步骤(1)的初产物在60℃~100℃真空干燥12-24h小时,得到金属有机框架结构催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种金属有机框架结构催化剂,其特征在于,所述十六烷基三甲基溴化铵为0.06-0.60g。
3.如权利要求1或权利要求2的一种金属有机框架结构催化剂在合成酯类润滑油制备中的应用,其特征在于,季戊四醇、有机酸、金属有机框架结构催化剂、甲苯混合后在反应温度为135℃-170℃的环境下,反应6h后经离心分离、旋转蒸发得季戊四醇多元醇酯。
4.根据权利要求3所述的在合成酯类润滑油制备中的应用,其特征在于,所述季戊四醇与有机酸的摩尔比为4:1。
5.根据权利要求3所述的在合成酯类润滑油制备中的应用,其特征在于,所述金属有机框架结构催化剂与季戊四醇的质量比1:9。
6.根据权利要求3所述的在合成酯类润滑油制备中的应用,其特征在于,所述有机酸为正戊酸、正己酸、正庚酸、正辛酸、正壬酸或正癸酸中的任意一种。
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