CN111097528B - 纳米笼限域催化剂、制备方法及应用 - Google Patents

纳米笼限域催化剂、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米笼限域催化剂、制备方法及其用途，所述催化剂表达式为：NC‑[M(Salen)X]或者NC‑[M’(Salen)]，NC为具有纳米笼结构的材料；M(Salen)X和M’(Salen)为活性中心，M和M’为金属离子，M为Fe3+，Ga3+，Al3+，Cr3+，M’为Cu2+，Ni2+，Salen为Shiff碱类衍生物，X为轴阴离子，X包括醋酸根、苯磺酸根、苯甲酸根、取代的醋酸根、取代的苯磺酸根、取代的苯甲酸根。

Description

纳米笼限域催化剂、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种纳米笼限域催化剂、制备方法及其应用。
背景技术
乙二醇是一种重要的有机化工原料及中间体，主要用于生产聚酯纤维、瓶用树脂、薄膜、工程塑料、防冻剂和冷却剂，还大量用作生产增塑剂、干燥剂、润滑剂等多种化工产品的原料，用途非常广泛(广东化工，2011，38：242)。截至2015年，乙二醇的全球年需求量高达2800万吨以上(http://www.shell.com/business-customers/chemicals/factsheets-speeches-and-articles/factshe ets/mono-ethylene-glycol.html)，特别是我国乙二醇的自给率长期不大于40.2％(http://www.chemsino.com/dailynews/newsview.aspx？id＝499321&cataid＝62)。目前工业上主要通过环氧乙烷直接水合法生产乙二醇，且技术为Shell、SD、DOW三家公司所垄断。为了降低副产物如二甘醇和三甘醇的含量，该技术要求反应在190–200℃、大于1.9MPa以及水和环氧乙烷进料摩尔比(简称水比)为22-25:1的条件下进行，这使得产物中水的含量高达85wt.％以上。除去如此大量的水，需要使用多效蒸发系统并消耗大量的蒸汽(如，当水比为20:1时，生产1吨乙二醇要消耗5.5吨蒸汽)，最终导致乙二醇的整个生产过程能耗大、设备复杂、流程长、生产成本高(工业催化，2002，10：3；石油化工，2010，39：562；化工中间体，2009：59)。因此，发展低水比的环氧乙烷催化水合技术有望实现节能降耗，其核心是催化剂的研制。
迄今为止，多种催化剂被开发出来，如阴/阳离子交换树脂(CN102372815B；Journal of Applied Polymer Science，2010，115：2946；RSC Advances，2015，5：2550)、负载型金属氧化物(CN100413579C；Journal of Catalysis，2006，241:173)、Sn沸石(CN104437607B；ACS Catalysis，2016，6：2955)等。然而这些催化剂仍需要较高的水比(≥8:1)或者长的反应时间(≥24h)方具有良好的催化性能。最近一项突破性进展，为大化所开发的纳米笼催化剂FDU-12-[Co(Salen)X](X＝OAc-/OTs-)(CN201110070058.X；AngewandteChemie International Edition，2012，51：11517；Journal of Catalysis，2016，338：184),其可在水比为2:1的条件下，获得98％以上的乙二醇收率。然而FDU-12-[Co(Salen)X](X＝OAc-/OTs-)稳定性差，需要活化，方具有良好的循环使用性，这严重限制了其工业化应用。因此，本领域迫切需要开发出在低水比和短反应时间下对环氧烷烃水合制二醇具有高的活性和不需活化即具有良好的循环使用性的催化剂。
发明内容
本发明旨在提供一种高、低水比和短反应时间下均对环氧烷烃水合制二醇具有高活性和不需活化即具有良好循环使用性的催化剂及其制备方法，以解决现有技术中环氧烷烃水合制二醇的催化剂存在所需水比高以及需活化方具有良好循环性的问题。本发明提供的催化剂，在高、低水比和短反应时间下，均对环氧烷烃水合制二醇具有高活性，并且不需活化便具有良好循环使用性，明显优于现有的催化剂；本发明提供的制备方法，简单可行，可为其他纳米笼限域催化剂的合成提供借鉴。
本发明提供一种纳米限域催化剂，所述的催化剂表达式为：NC-[M(Salen)X]或者NC-[M’(Salen)]，NC为具有纳米笼结构的材料；M(Salen)X和M’(Salen)为活性中心，M和M’为金属离子，M包括Fe3+，Ga3+，Al3+，Cr3+，M’包括Cu2+，Ni2+，Salen为Shiff碱类衍生物，X为轴阴离子。
上述技术方案中，优选地，X包括醋酸根、苯磺酸根、苯甲酸根、取代的醋酸根、取代的苯磺酸根、取代的苯甲酸根。
上述技术方案中，优选地，所述Shiff碱类衍生物为(1R,2R)-N,N′-二亚水杨基-1,2-环己二胺或取代的(1R,2R)-N,N′-二亚水杨基-1,2-环己二胺。
上述技术方案中，优选地，所述NC为具有纳米笼结构的介孔二氧化硅纳米颗粒或者具有纳米笼结构的有机杂化的介孔二氧化硅纳米颗粒。所述NC包括SBA-6，SBA-16，FDU-1，FDU-12，KIT-5，AMS-8等。
本发明还提供了一种纳米笼限域催化剂的制备方法，包括以下步骤：
将活性中心M(Salen)X或M’(Salen)、纳米笼材料NC加入溶剂中，搅拌；移除溶剂；封装，得纳米笼限域催化剂。
上述技术方案中，优选地，所述的溶剂包括二氯甲烷、乙醇和甲醇中的至少一种。
上述技术方案中，优选地，所述搅拌和移除溶剂温度为-96℃～61℃。较为优选地，20-50℃。所述搅拌时间≥30min。移除溶剂具体为敞口搅拌下将所述溶剂挥发。
上述技术方案中，优选地，M包括Fe3+，Ga3+，Al3+，Cr3+，M’包括Cu2+，Ni2+，Salen为Shiff碱类衍生物，X为轴阴离子。X包括醋酸根、苯磺酸根、苯甲酸根、取代的醋酸根、取代的苯磺酸根、取代的苯甲酸根。
上述技术方案中，优选地，所述封装为加封装试剂进行封装，具体为，采用预水解的正硅酸甲酯或者预水解的正硅酸乙酯或者硅烷偶联剂实现活性中心的封装。
本发明还提供一种上述催化剂或采用上述制备方法制得的催化剂在环氧烷烃水合制二醇反应中的应用。
应用条件为水比≥2:1，反应时间为10min～24h，首次催化环氧乙烷或者环氧丙烷的水合反应得到的乙二醇或者丙二醇的产率≥91％，不经过活化再生直接循环使用1次得到的乙二醇或者丙二醇的产率≥75％，不经过活化再生直接循环使用2次得到的乙二醇或者丙二醇的产率≥64％。
本发明催化剂，包括含纳米笼结构的基体材料，和限域于所述纳米笼中的活性中心M(Salen)X或M’(Salen)，其中，M为Fe3+，Ga3+，Al3+，Cr3+，M’为Cu2+，Ni2+，Salen为Shiff碱类衍生物，X为轴阴离子，所述催化剂，在高、低水比和短反应时间下均对环氧烷烃水合制二醇具有高活性，并且不需活化即具有良好的循环使用性，稳定性好，取得了意料不到的技术效果。本发明提供的方法，简单可行，为其他纳米笼限域催化剂的合成提供借鉴。
附图说明
图1是实施例1中制得的催化剂的TEM照片。具体实施方式
【实施例1】
称取0.50g的F127，0.6g的均三甲苯和2.5g的KCl于16℃下溶解到30mL 2M HCl水溶液中，搅拌2h；加入2.08g的TEOS，继续在16℃下搅拌24h后置于100℃烘箱中水热24h。取出洗涤干燥后，于550℃煅烧6h得纳米笼基体材料FDU-12。称取0.2g的对甲基苯磺酸单水合物和0.490g的Fe((1R,2R)-N,N′-二亚水杨基-1,2-环己二胺)，溶解于20mL二氯甲烷中，室温敞口搅拌12h，将溶剂旋去，用正己烷充分洗涤干燥后得活性中心Fe((1R,2R)-N,N′-二亚水杨基-1,2-环己二胺)OTs。称取1.0g的FDU-12，置于4mL含100mg Fe((1R,2R)-N,N′-二亚水杨基-1,2-环己二胺)OTs的二氯甲烷溶液中，20℃密封搅拌2h后，20℃敞口搅拌至溶剂挥发干。加入预水解的正硅酸甲酯，搅拌40min后，加入乙醇，离心分离，充分洗涤，干燥得催化剂A。
【实施例2】
称取1.0g的SBA-6，置于4mL含300mg Ga((1R,2R)-N,N′-双(3,5-二叔丁基亚水杨基)-1,2-环乙二胺)OAc的乙醇和二氯甲烷混合溶液中，20℃密封搅拌3h后，40℃敞口搅拌至溶剂挥发干。加入预水解的正硅酸乙酯，搅拌60min后，加入乙醇，离心分离，充分洗涤，干燥得催化剂B。
【实施例3】
称取1.0g的SBA-16，置于6mL含400mg Al((1R,2R)-N,N′-二亚水杨基-1,2-环乙二胺)OAc的甲醇溶液中，20℃密封搅拌4h后，30℃敞口搅拌至溶剂挥发干。加入预水解的正硅酸乙酯，搅拌60min后，加入乙醇，离心分离，充分洗涤，干燥得催化剂C。
【实施例4】
称取1.0g的FDU-1，置于6mL含500mg Cr((1R,2R)-N,N′-双(3-二叔丁基亚水杨基)-1,2-环己二胺)OAc的甲醇和乙醇混合溶液中，30℃密封搅拌4h后，40℃敞口搅拌至溶剂挥发干。加入2mL甲苯，2mg对甲苯磺酸和20mmol三甲氧基丙基硅烷回流过夜，离心分离，充分洗涤，干燥得催化剂D。
【实施例5】
称取1.0g的KIT-5，置于8mL含600mg Cu((1R,2R)-N,N′-双(3-叔丁基亚水杨基)-1,2-环乙二胺)的乙醇溶液中，30℃密封搅拌3h后，50℃敞口搅拌至溶剂挥发干。加入2mL甲苯，2mg对甲苯磺酸和20mmol三甲氧基丙基硅烷回流过夜，离心分离，充分洗涤，干燥得催化剂E。
【实施例6】
称取1.0g的AMS-8，置于10mL含700mg Ni((1R,2R)-N,N′-双(5-叔丁基亚水杨基)-1,2-环己二胺)的乙醇溶液中，30℃密封搅拌3h后，50℃敞口搅拌至溶剂挥发干。加入2mL甲苯，2mg对甲苯磺酸和20mmol三甲氧基丙基硅烷回流过夜，离心分离，充分洗涤，干燥得催化剂F。
【对比例1】
称取1.0g的SBA-16，置于6mL含400mg Co((1R,2R)-N,N′-二亚水杨基-1,2-环己二胺)OTs的甲醇溶液中，20℃密封搅拌4h后，30℃敞口搅拌至溶剂挥发干。加入预水解的正硅酸乙酯，搅拌60min后，加入乙醇，离心分离，充分洗涤，干燥得催化剂G。
【实施例7】
称取1.32g的环氧乙烷，在温度为20℃、压力为1.0MPa、水比为2:1、催化剂和环氧乙烷物质的量比为1:1000以及反应时间为7h条件下，考察催化剂A的性能，结果见表1。
【实施例8】
回收实施例7中用过一次的催化剂，不经活化再生，在与实施例7相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表1。
【实施例9】
回收实施例8中用过两次的催化剂，不经活化再生，在与实施例7和8相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表1。
【实施例10】
称取1.32g的环氧乙烷，在温度为20℃、压力为1.0MPa、水比为2:1、催化剂和环氧乙烷物质的量比为1:1000以及反应时间为7h条件下，考察催化剂B的性能，结果见表1。
【实施例11】
回收实施例10中用过一次的催化剂，不经活化再生，在与实施例10相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表1。
【实施例12】
回收实施例11中用过两次的催化剂，不经活化再生，在与实施例10和11相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表1。
【实施例13】
称取1.32g的环氧乙烷，在温度为20℃、压力为1.0MPa、水比为2:1、催化剂和环氧乙烷物质的量比为1:1000以及反应时间为7h条件下，考察催化剂C的性能，结果见表1。
【实施例14】
回收实施例13中用过一次的催化剂，不经活化再生，在与实施例13相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表1。
【实施例15】
回收实施例14中用过两次的催化剂，不经活化再生，在与实施例13和14相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表1。
表1催化剂A、B、C的循环使用性
催化剂 首次乙二醇产率(％) 循环1次乙二醇产率(％) 循环2次乙二醇产率(％)
A 94 79 69
B 94 78 68
C 92 76 66
【实施例16】
称取1.32g的环氧乙烷，在温度为40℃、压力为1.0MPa、水比为6:1、催化剂和环氧乙烷物质的量比为1:500以及反应时间为4h条件下，考察催化剂D的性能，结果见表2。
【实施例17】
回收实施例16中用过一次的催化剂，不经活化再生，在与实施例16相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表2。
【实施例18】
回收实施例17中用过两次的催化剂，不经活化再生，在与实施例16和17相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表2。
【实施例19】
称取1.32g的环氧乙烷，在温度为40℃、压力为1.0MPa、水比为6:1、催化剂和环氧乙烷物质的量比为1:500以及反应时间为4h条件下，考察催化剂E的性能，结果见表2。
【实施例20】
回收实施例19中用过一次的催化剂，不经活化再生，在与实施例19相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表2。
【实施例21】
回收实施例20中用过两次的催化剂，不经活化再生，在与实施例19和20相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表2。
【实施例22】
称取1.32g的环氧乙烷，在温度为40℃、压力为1.0MPa、水比为6:1、催化剂和环氧乙烷物质的量比为1:500以及反应时间为4h条件下，考察催化剂F的性能，结果见表2。
【实施例23】
回收实施例22中用过一次的催化剂，不经活化再生，在与实施例22相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表2。
【实施例24】
回收实施例23中用过两次的催化剂，不经活化再生，在与实施例22和23相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表2。
表2催化剂D、E、F的循环使用性
催化剂 首次乙二醇产率(％) 循环1次乙二醇产率(％) 循环2次乙二醇产率(％)
D 94 79 68
E 92 77 67
F 93 78 68
【实施例25】
称取1.74g的环氧丙烷，在温度为40℃、压力为1.0MPa、水比为2:1、催化剂和环氧丙烷物质的量比为1：1000以及反应时间为7h条件下，考察催化剂D的性能，结果见表3。
【实施例26】
回收实施例25中用过一次的催化剂，不经活化再生，在与实施例25相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表3。
【实施例27】
回收实施例26中用过两次的催化剂，不经活化再生，在与实施例25和26相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表3。
【实施例28】
称取1.74g的环氧丙烷，在温度为40℃、压力为1.0MPa、水比为2:1、催化剂和环氧丙烷物质的量比为1：1000以及反应时间为7h条件下，考察催化剂E的性能，结果见表3。
【实施例29】
回收实施例28中用过一次的催化剂，不经活化再生，在与实施例28相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表3。
【实施例30】
回收实施例29中用过两次的催化剂，不经活化再生，在与实施例28和29相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表3。
【实施例31】
称取1.74g的环氧丙烷，在温度为40℃、压力为1.0MPa、水比为2:1、催化剂和环氧丙烷物质的量比为1：1000以及反应时间为7h条件下，考察催化剂F的性能，结果见表3。
【实施例32】
回收实施例31中用过一次的催化剂，不经活化再生，在与实施例31相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表3。
【实施例33】
回收实施例32中用过两次的催化剂，不经活化再生，在与实施例31和32相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表3。
表3催化剂D、E、F的循环使用性
催化剂 首次丙二醇产率(％) 循环1次丙二醇产率(％) 循环2次丙二醇产率(％)
D 93 78 67
E 91 75 64
F 92 77 66
【实施例34】
称取1.74g的环氧丙烷，在温度为40℃、压力为1.0MPa、水比为8:1、催化剂和环氧丙烷物质的量比为1：500以及反应时间为4h条件下，考察催化剂A的性能，结果见表4。
【实施例35】
回收实施例34中用过一次的催化剂，不经活化再生，在与实施例34相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表4。
【实施例36】
回收实施例35中用过两次的催化剂，不经活化再生，在与实施例34和35相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表4。
【实施例37】
称取1.74g的环氧丙烷，在温度为40℃、压力为1.0MPa、水比为8:1、催化剂和环氧丙烷物质的量比为1：500以及反应时间为4h条件下，考察催化剂B的性能，结果见表4。
【实施例38】
回收实施例37中用过一次的催化剂，不经活化再生，在与实施例37相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表4。
【实施例39】
回收实施例38中用过两次的催化剂，不经活化再生，在与实施例37和38相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表4。
【实施例40】
称取1.74g的环氧丙烷，在温度为40℃、压力为1.0MPa、水比为8:1、催化剂和环氧丙烷物质的量比为1：500以及反应时间为4h条件下，考察催化剂C的性能，结果见表4。
【实施例41】
回收实施例40中用过一次的催化剂，不经活化再生，在与实施例40相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表4。
【实施例42】
回收实施例41中用过两次的催化剂，不经活化再生，在与实施例40和41相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表4。
表4催化剂A、B、C的循环使用性
Figure BDA0001841707080000081
Figure BDA0001841707080000091
【对比例2】
称取1.32g的环氧乙烷，在温度为20℃、压力为1.0MPa、水比为2:1、催化剂和环氧乙烷物质的量比为1:1000以及反应时间为7h条件下，考察催化剂G的性能，结果见表5。
【对比例3】
回收对比例2中用过一次的催化剂，不经活化再生，在与对比例2相同的催化条件下，考察其催化性能，结果见表5。
表5催化剂G的循环使用性
催化剂 首次乙二醇产率(％) 循环1次乙二醇产率(％)
G 96 44

Claims (6)

1.一种纳米笼限域催化剂，其特征在于，所述催化剂表达式为：NC-[M’(Salen)]，NC为具有纳米笼结构的材料，所述NC为具有纳米笼结构的介孔二氧化硅纳米颗粒或者具有纳米笼结构的有机杂化的介孔二氧化硅纳米颗粒；M’(Salen)为活性中心，M’为金属离子，M’包括Cu2+，Ni2+，Salen为Shiff碱类衍生物，所述Shiff碱类衍生物为(1R,2R)-N,N′-二亚水杨基-1,2-环己二胺或取代的(1R,2R)-N,N′-二亚水杨基-1,2-环己二胺。
2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述NC包括SBA-6，SBA-16，FDU-1，FDU-12，KIT-5，AMS-8。
3.权利要求1-2任一所述纳米笼限域催化剂的制备方法，包括以下步骤：
将活性中心M’(Salen)、纳米笼材料NC加入溶剂中，搅拌；移除溶剂；封装，得纳米笼限域催化剂。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的溶剂包括二氯甲烷、乙醇、和甲醇中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌和移除溶剂温度为-96℃ ~61℃。
6.权利要求1-2任一所述催化剂或采用权利要求3-5任一所述制备方法制得的催化剂在环氧烷烃水合制二醇反应中的应用。
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