介孔分子筛催化剂形貌及尺度效应研究

The morphology and scale of supported catalysts play very important roles in their catalytic activity. However, there are fewer reports about the systematic research in this field, possibly due to the difficult synthesis of common support with controllable morphology and scale through conventional methods. As promising catalyst supports, the flexible surface of mesoporous molecule sieves makes it possible for the fine control of their morphology, scale and pore structure thereby improving the catalytic activity. The selective oxidation of aromatics are important reactions in petrochemical industry. The direct oxidation with H2O2 is recognized as an efficient, green and pollution-free route in which catalysts containing titanium as active ingredient were proved with excellent catalytic performance. Based on our previous wok in which pure mesoporous silica with different morphology such as nanosphere, nanowire and nanorod and controllable size have been successfully synthesized, this project is planned to synthesize titanium modified mesoporous silica with specific morphology, scale and structure and use them in the selective catalytic oxidation of aromatics such as benzene, phenol and styrene. By associating the confinement effect, adsorption-desorption properties and diffusion process of reactants in the catalysts, we will propose the theoretical model and explore the quantitative regularity between the morphology as well as the scale effect and catalytic properties. This project will establish the foundation for future industrial catalytic applications of mesoporous molecule sieves.

载体形貌和尺度是决定负载型催化剂性能的关键，但目前国内外相关报道尚缺乏系统研究，原因在于一般载体难以通过常规合成方法实现对其形貌和尺度的可控合成。作为具有良好应用前景的催化剂载体，介孔分子筛的柔性外表面使得控制其微观形貌、尺度及孔道结构进而改善催化性能成为可能。芳烃选择氧化是石油化工的重要反应，H2O2作为氧化剂直接氧化是绿色、高效无污染路线，而钛作为活性组分在这类反应中表现出优异的催化性能。本项目拟在课题组成功合成纯二氧化硅纳米球、线、棒介孔材料并实现其微观尺度精细调控基础上，合成出钛原子修饰且形貌、尺度和结构可控的介孔分子筛催化剂；研究所合成材料在芳烃如苯、苯酚、苯乙烯选择氧化反应中的催化性能，通过关联反应物在不同形貌、尺寸、结构介孔分子筛中的限域效应、吸附脱附、扩散过程，探求形貌和尺度效应与催化性能之间关系的一般规律，提出理论模型并实现科学定量描述，为介孔分子筛工业催化应用建立基础。

载体形貌和尺度一直是负载型催化剂性能研究方面的热点，但通过常规合成方法实现对载体形貌和尺度的可控合成仍旧是个难题。而介孔分子筛的柔性外表面使得控制其微观形貌、尺度及孔道结构进而改善催化性能成为可能。因此本课题组在控制合成纯二氧化硅纳米球、线、棒介孔材料并实现其微观尺度精细调控基础上，将活性组分固载在不同位置，并通过引入不同的过渡金属，包括单组分，多组分过渡金属等，并探究其在芳烃如苯、苯酚、苯乙烯选择氧化反应中的催化性能，通过关联反应物在不同形貌、尺寸、结构介孔分子筛中的限域效应、吸附脱附及扩散过程，探求形貌和尺度效应与催化性能之间关系的一般规律，提出理论模型并实现科学定量描述，为介孔分子筛工业催化应用建立基础。.主要成果有：.（1）采用不同方法合成了具有管、棒、球等形貌介孔材料，并探究了其对催化活性的影响；.（2）合成了不同过渡金属修饰的介孔材料，其原理是根据介孔材料合成过程中不同类型（阴离子型、阳离子型及中性）表面活性剂所形成的不同液晶-模板，控制不同金属源形态使之产生相互作用如配位作用、静电吸引及氢键等，并控制反应条件将活性中心修饰到介孔材料不同位置。包括单组分如钒、铁、铜、镍等，双组份如钴锰、铜铁等作为活性位修饰到具有一定形貌结构的介孔分子筛材料中，并对材料结构、性质、金属颗粒分布、形态及空间配位状况进行表征研究；.（3）光催化氧化研究：光催化具有环保、节能、低成本等突出特点。本项目通过形貌、性质调变并以不同元素修饰后得到具有可见光响应的蓝色、灰色及黑色二氧化钛，光催化氧化苯制苯酚反应结果表明苯转化率最高可达72.3%，苯酚选择性最高为85.1%。项目还合成了氟掺杂的氮化碳以及铁掺杂的氮化碳，光催化降解染料的效果都相对纯的氮化碳有明显提升。