化学键构筑钯/中空纤维陶瓷催化膜及其催化性能研究

膜催化过程是影响化工与石油化工未来的重要研究领域，其关键是高性能催化膜的制备。针对催化膜制备中存在的单位体积中活性组分含量少、活性组份与膜之间的结合力弱等关键问题，本项目提出"以中空纤维陶瓷膜为支撑体，采用氨基硅烷对陶瓷膜表面接枝功能化，增加活性组分含量及其与陶瓷膜之间结合力"的新思路，研制出高性能的催化膜。项目拟以钯/中空纤维陶瓷催化膜为对象，重点研究下面三个方面的内容：通过先进表征手段认知陶瓷膜表面氨基硅烷的调控机制及氨基硅烷结构与钯含量的响应关系，揭示制备条件与催化膜微结构的关系；以对硝基苯酚加氢为探针反应，创制膜反应器，研究钯与氨基硅烷中氮的配位对钯活性位的影响规律，系统探索制备条件对催化膜催化性能的影响，构建催化膜的构效关系；采用现代分析手段研究催化膜在反应过程中的微结构性能变化，揭示催化膜微结构演变规律，指导催化膜的设计与制备。项目实施将为催化膜制备及膜催化过程研究提供参考。

膜催化过程是影响化工与石油化工未来的重要研究领域，其关键是高性能催化膜的制备。提高单位体积催化膜中活性组分含量及增强活性组份与膜之间的结合力是催化膜领域研究热点。本项目针对这两个问题展开了详细研究，取得的重要进展如下。. 1、发展了调变膜表面特性提高催化膜催化性能的方法. 采用氨基硅烷对陶瓷膜表面进行接枝功能化，调变陶瓷膜表面化学特性，基于氨基硅烷的架桥功能将钯纳米颗粒通过化学键负载到陶瓷膜表面，改善了钯纳米颗粒在陶瓷膜表面的分散度，同时提高了钯纳米颗粒与陶瓷膜的结合力，制备的钯催化膜在对硝基苯酚苯酚加氢制备对氨基苯酚反应中显示出优良的催化性能，提出了通过调变膜表面特性提高催化膜催化性能的方法，该方法具有普适性。. 2、揭示了陶瓷膜构型与催化膜催化性能的响应关系. 以中空纤维陶瓷膜作为载体制备中空纤维陶瓷催化膜，在同等膜体积下，以中空纤维陶瓷膜为支撑体可明显提高催化活性组份钯的负载量，且中空纤维陶瓷膜的壁厚较薄，有利于反应组份扩散到活性组份上，导致中空纤维陶瓷催化膜催化活性明显高于单管式催化膜。. 3、揭示了氨基硅烷结构对催化膜催化性能的影响规律. 分别采用单氨基硅烷（KH550）与双氨基硅烷（KH792）修饰陶瓷膜表面构筑钯催化膜，探索分子中的氨基数目等氨基硅烷微结构对钯催化膜微结构及催化性能的影响，发现氨基硅烷中的氨基数目、位置能显著影响钯的负载量及与陶瓷膜之间的结合力，初步说明了含有更多氨基的硅烷偶联剂对钯负载量的增加、催化性能的提高是有益的。. 4、提出了强制对流提高纳米催化剂负载量的方法. 将含有催化活性组分的溶液强制流经膜表面及孔道，与常规的浸渍方法相比克服了浸渍液体由于膜孔道表面张力可能不能进入膜孔道的缺陷，使活性组分沉积于孔道中，增加了纳米催化剂钯在膜表面及孔道中的负载量，制备的钯催化膜在对硝基苯酚苯酚还原制备对氨基苯酚反应中展现了优良的催化性能。. 以上研究过程中，在Industrial & Engineering Chemistry Research等化工领域主流期刊上发表了论文8篇，其中SCI收录3篇；参加了国际性的膜会议与纳米会议，口头报告3次；自主设计并搭建了膜催化反应装置两套；申请发明专利2项；培养研究生3名。