高效纳米银/碳纤维复合催化剂的可控制备及其催化乙烯环氧化反应性能研究

Nowadays, the production technology of preparing epoxyethane generally adopts the method of oxidizing ethylene by oxygen directly. Ag was an efficient catalyst for it, but secondary reactions of ethylene completely oxidized made the aggregation and inactivation of the catalyst, and the low selectivity of epoxyethane due to its high catalytic activity. To improve the selectivity of ethylene, this project presents a new method of preparing Ag nanoparticle (NPs) catalyst doped in porous carbon nanofibers. In the preparing process, one-dimensional carbon naofiber (NFs) precursor was prepared by electrospinning, and metallic and rare earth oxides incorporated into the catalyst matrix. A novel Ag NPs/carbon NFs composite catalyst will improve the selectivity of ethylene epoxidation, reduce the reaction temperature, restrain the combustion reaction, and improve the catalyst ability. We study the factors influenced the catalyst properties such as polymer compound, metal salty, reduction method, the size and morphology of the catalyst. We aim to determine the optimum preparation condition, explore the selectivity mechanism of ethylene epoxidation, and establish dynamic equations by using selectivity and stability of catalysts as indicator. Developing outstanding selectivity and stability Ag catalyst not only improve the selectivity of epoxyethane, but also reduce the consumption of material and energy and the emission of carbon dioxide. The study has a major significance of energy saving and emission reduction.

目前环氧乙烷的生产均采用氧气直接氧化法，银催化剂是其高效催化剂，但其催化剂活性过高，导致乙烯完全燃烧，使催化剂熔结失活,乙烯环氧化的选择性较低。针对乙烯环氧化反应采用的银催化剂选择性低的缺陷，本项目提出以电纺丝技术制备的一维结构的聚合物纳米纤维为模板，并将金属及稀土氧化物引入催化剂载体基质内，构筑新型的多孔碳纤维承载纳米银催化剂，以提高乙烯环氧化反应的选择性，降低反应温度，抑制燃烧副反应，提高催化剂的稳定性。研究高分子化合物、金属盐和还原方式的选择，以及催化剂尺寸和形态的控制等对催化性能的影响，以催化剂的选择性和稳定性为指标，确定催化剂的最佳制备条件，探讨催化剂提高乙烯环氧化反应选择性的机理，并建立动力学方程。开发高选择性和高稳定性的复合纳米银催化剂，既可解决乙烯环氧化生产环氧乙烷选择性低的瓶颈，又可降低乙烯环氧化的物料和能源消耗，减少二氧化碳的排放，这对于节能减排具有重要的意义。

烯烃、苯乙烯等烃类氧化得到的环氧乙烷、环氧苯乙烷等物质是化工、医药等行业中重要的中间体，提升该类反应的活性和选择性一直是研究者关注的焦点。研究发现，银基催化剂对该类反应具有高的活性和较好的选择性，构建结构简单、性能稳定、易于回收的负载型银基催化剂一直是研究者在这一领域中研究的重点。.本项目在国家自然科学基金的支持下，围绕研究目标开展研究工作，以静电纺丝技术为支撑，通过电纺、高温煅烧技术制备具有规则形貌的、粒径可控的负载银纳米粒子的多孔碳纤维以及多孔/金属氧化物-碳纤维复合催化材料。将所得一维纳米银基复合催化材料用于苯乙烯环氧化反应研究中，考察催化剂的活性、选择性及稳定性，揭示催化剂组成-结构-性能之间的关系。项目利用电纺丝技术制备一维载体材料的优势，通过前驱体溶液的调控、掺杂及高温煅烧等过程获得一系列一维银基复合催化材料，研究结果表明，该类催化剂对苯乙烯环氧化反应具有较好催化活性和选择性，且催化剂稳定易于回收再利用。本项目的研究成果为构筑新型、高效的负载型纳米催化剂提供了思路和借鉴，具有一定的指导意义。此外，在本项目的资助下，还进行了实验拓展，利用水热、超临界、原位还原等技术制备了一系列4A分子筛载银基复合催化剂，并系统的考察了其对苯乙烯环氧化的催化性能，取得了较好的研究成果。.在国家自然科学基金的资助下，本项目基本完成了计划任务书中所涉及的研究内容，并有所拓展，发表SCI收录的论文16篇，申请发明专利1项，较好的完成了计划任务。