大师作文网什么是固体超强酸?
来源：学生作业帮 编辑：大师作文网作业帮 分类：化学作业 时间：2024/11/11 08:51:53
什么是固体超强酸?
酸催化反应涉及到烃类裂解、重整、异构等石油炼制过程,还涉及到烯烃水合、烯烃聚合、芳烃烷基化、芳烃酰基化、醇酸酯化等石油化工和精细化工过程,可以说酸催化剂是这一系列重要工业的基础.而迄今为止,在这些生产过程当中应用的酸催化剂主要还是液体酸,虽然其工艺已很成熟,但在发展中却给人类环境带来了危害,同时也存在着均相催化本身不可避免且无法克服的缺点,如易腐蚀设备,难以连续生产,选择性差,产物与催化剂难分离等.尤其是环境污染问题,在环保呼声日益高涨、强调可持续发展的今天,已是到了非解决不可的地步.自20世纪40年代以来,人们就在不断地寻找可以代替液体酸的固体酸,而近年来,固体超强酸更是成为热门研究对象.固体酸克服了液体酸的缺点,具有容易与液相反应体系分离、不腐蚀设备、后处理简单、很少污染环境、选择性高等特点,可在较高温度范围内使用,扩大了热力学上可能进行的酸催化反应的应用范围.
的种类也从液体含卤素超强酸发展为无卤素固体超强酸、单组分固体超强酸、多组分复合固体超强酸.无论是催化剂的制备、理论探索、结构表征,还是工业应用研究都有了新的发现,固体超强酸由于其特有的优点和广阔的工业应用前景,已受到国内外学者广泛关注,成为固体酸催化剂研究中的热点.人们在不断开发新的固体酸催化剂和固体酸催化工艺的同时,也在不断地探讨固体酸的酸性形成的机理,探讨固体酸催化反应的机理.本文重点对固体超强酸改性、理论研究、表征技术、失活机理及应用领域进行综述,并指出了固体超强酸催化剂今后研究和开发的主要方向.
1 载体的改性
在单组分固体超强酸催化剂的应用中,人们发现主要活性组分s 一在反应中较易流失,特别是在较高温度条件下容易失活,这类单组分固体催化剂虽然有较好的起始催化活性,但单程寿命较短.通过对催化剂载体的改性,使催化剂能提供合适的比表面积、增加酸中心密度、酸种类型、增加抗毒物随着人们对固体超强酸不断深入研究,催化剂能力、提高机械强度等作用.目前改性研究的方向
主要有：以金属氧化物zK)2、Ti02和Fe2Ch为母体,加入其他金属或氧化物,形成多组元固体超强酸；引入稀土元素改性；引入特定的分子筛及纳米级金属氧化物等.
1．1 引入其他金属或金属氧化物
固体超强酸催化剂的制备对金属氧化物有特殊要求.有些氧化物如MgO、CaO、CuO、ZnO、CAO、03、MaO和Th 等,用一定浓度的s 一进行处理后,其酸催化活性并没有提高,说明并不是所有的金属氧化物都具有合成固体超强酸的条件,因为这不仅与氧化物的电子构成有关,而且还和金属离子的电负性及配位数的大小有密切联系.金属氧化物的电负性和配位数严重影响着与促进剂S -离子形成配位结构,因而有的得不到超强酸,或者生成相应的硫酸盐而只能得到表面酸性较小的固体酸.此外,还与氧化物的晶态有关.
卢冠忠等人[5]在催化剂组分中引入Al,制备了S 一／ri—Al—O型固体超强酸.Ti／A1原子比为2时催化性能优于s 一／rio2,并用于合成邻苯二甲酸二辛酯(DOP),对催化剂表征结果证实：在钛基固体超强酸中,引入一定量的铝可使催化剂的比表面积明显增大,能在表面产生弱酸、中等强酸与超强酸中心,并认为对于合成DOP模型反应,起作用的可能是催化剂表面的中等强度酸位.
夏勇德等人以铁基催化剂s -／Fe304为基体,在制备过程中引 入Al203,合成了s -／Fe304-Al203型固体超强酸.用于甲苯苯甲酰化反应表明,Al203的加入有利于延迟基体氧化物的晶化,sO4 -／Fe304-A1203(15％)的比表面积为115．6 m2／g,远大于sO4／Fe304的63．7 m2 ,提高了催化表面的硫含量,不仅使催化剂表面酸性增加,而且催化剂的强酸位中心增加,催化活性高于sO4／Tio2.雷霆等人将cr-sO4／Z 负载于7oAl203载体上,制成Cr-sO4／ZrO2 系列固体超强酸,利用丁烷低温异构化为探针反应,考察了超强酸性、中强酸性和弱酸性的变化情况,发现负载后的催化剂的活性有显著提高.廖德仲等人 J用Moth对钛系超强酸进行改性,所得sO4-／MOO3一Ti02型固体催化剂使用寿命长、活性好,促进剂与MoO3共存时,有较为明显的协同效应,是乙酸与异戊醇适宜的催化剂.而在sO4-AVI Oy型催化剂中引入铂、镍等金属可提高催化剂使用寿命.
1．2 引入稀土元素
研究表明,加入稀土Dy2O3可改善sO4-／Fe304型铁基固体催化剂的活性,对合成反应的稳定性有一定的提高l9J,也有人将稀土元素Th引入铁基固体超强酸催化剂的改性研究.陈里等人用稀土La对钛基催化剂进行改性,制备了sO4-／Ti-La—O型催化剂,并研究了它在催化方面的应用.徐景士等人制备了含稀土的固体超强酸催化剂,并将其用于合成羟基苯甲酸醚及酯化反应.发现含稀土固体超强酸催化剂显示出较高的催化活性,并具有较好的稳定性,催化剂可重复使用.林进等人报道了稀土固体酸sO4-／Tio2／La3 的制备及其催化酯化作用,用改性后的催化剂用于癸二酸与无水乙醇的反应,考察了影响反应的主要因素.郭锡坤等人[13]在sO4-／Z 制备过程中加入Dy2O3进行改性,并用于柠檬酸与正丁醇合成柠檬酸三正丁酯,考察了稀土加入后对催化剂的影响,用俄歇电子能谱分析重复使用后催化剂表层的组成,认为稀土Dy203对固体超强酸中的sO4-具有稳定作用,反复使用后的sO4-不易流失,而活性下降的主要原因是积碳所致.浙江大学在sO4-／Tio2基础上,将Ln 改性的sO4-／Tio2-Ln3 催化剂用于氯甲基杂硫丙烷的开环聚合反应,合成了高分子聚合物Ploy(CMT),其相对分子质量为3～4万,实验证明这种改性后的固体超强酸表面的B酸对开环聚合起着决定性作用.另外,J．Sommer等人对固体超强酸用于碳正离子型有机合成也进行了研究.
1．3 引入分子筛
对sO4-／MxOy型超强酸催化剂改性,使其具有一定的孔结构的研究工作,近年来受到了许多研究者的重视,如将锆系或钛系氧化物负载于分子筛上,然后用硫酸处理以制备具有高比表面积和一定孔结构的催化剂,有人合成了具有中孔结构的sO4-／ZrO2 .季山等人将分子筛的多孔性、结构规整性以及高比表面积与So4-／ZrO2 的强酸性结合起来,制得了具有sO4-／Zr-ZSM-11分子筛结构特征的超强酸催化剂.sO4-／ZrO2 基础上改性引入MCM一41,合成了Ho< -13．8的固体超强酸So4-／ZrO2／MCM-41,表面上含有比改性前更多的B酸和L酸中心,将其用于固定床反应器中,合成甲基叔丁基醚和正戊烷异构化反应,具有极好的反应选择性.同时分子筛和稀土引入,制备改性的ZrO2—Dy203／so14-HZSM-5固体超强酸催化剂,其中的ZrO2以四方晶体存在,具有较大的比表面积和较强的表面酸性,用于进行酯化反应时的催化剂有较好的催化反应活性.研究证明：这种催化剂失活的原因主要是表面积碳,而不是sO4-流失.
1．4 引入纳米粒子
北京化工大学的常铮等人,为了进一步提高固体超强酸的活性,开始探索用超细纳米氧化物作为载体,进行固体超强酸制备的研究 ,以原料Fe(NO3)3·9H2O为铁源,Co(NO3)2为Co源,用NH3·H20作沉淀剂,在400*(2下焙烧3 h,合成了新型的纳米复合固体超强酸SO4-／CoFe204和SO4-／Fe2O3,其 < -14．5,催化剂的粒径小于50 nm.
1．5 引入磁性或交联剂
汕头大学的郭锡坤等人利用硅、锆、累托土对固体酸进行交联,制备硅锆交联粘土固体超强酸(SO4-／Si—Zr-CLR)；焦作大学成战胜等人利用磁性、微波对固体超强酸进行改性,制备出磁性8042-／Fe2+Fe3+04-ZrO2固体超强酸催化剂,应用于柠檬酸三丁酯的合成反应中,较好地解决了固体超强酸催化剂和产物分离的问题.在制备固体酸催化剂时引入一些交联剂,提高了固体酸颗粒的强度,延长了催化剂的使用效率和寿命.
2 固体超强酸失活机理
固体超强酸的失活机理有以下几方面：①在催化合成反应中,如酯化、脱水、醚化反应等,系统内的水或水蒸气与表面的促进剂如SO4-接触,使其表面上的SO4-流失,使催化剂表面的酸中心数减少,导致酸强度减弱,催化剂活性下降；② 在有机反应中,由于反应物、产物在催化剂表面吸附、脱附及表面反应,碳及体系杂质会吸附、沉积在催化剂活性部位上造成积碳,而使催化剂的活性下降；③在反应过程中,由于体系中毒物的存在,使固体超强酸中毒；促进剂s 一在有些溶剂和产物中会被还原,s从+6价还原为+4价,使硫与金属结合的电负性显著下降,硫与金属氧化物的配位方式发生变化,导致表面酸强度减小,失去催化活性.上述3种失活是暂时失活,可通过重新洗涤、干燥、酸化、焙烧和补充催化剂所失去的酸性位,烧去积炭,恢复催化剂的活性.
3 固体超强酸的主要表征技术
固体超强酸催化剂的主要表征技术有红外光谱、热分析、x射线衍射、程序升温脱附、比表面分析、扫描电镜和透射电镜、俄歇电子能谱和光电子能谱等.借助上述技术,对固体超强酸催化剂的结构、比表面积、表面酸类型、酸强度、酸性分布、晶型与粒径等进行定性或定量测定,并与探针反应机理、反应条件相关联,从而确定结构与固体超强酸性能的关系.如图1中的螯合双配位IR指纹区：1240～1230cm-1 ,1125～1090cm-1,1035～995cm-1和960 940 cm-1,可分别归属为结构中的一SO双键与 单键；桥式配位IR指纹区：1195～1160cm-1,1110～1105cm-1,1035～1030 cm-1和990960 cm-1.除了各指纹区不同外,螯合双配位比桥式配位在最高频区可区别于硫酸盐.此外,利用原位IR吡啶,还可定性测定超强酸催化剂表面酸的种类,B酸位在1540 cm一、L酸在1450 cm 有特征吸收指纹.与IR—DTA结合,可以定性、定量分析固体催化剂表面的酸量.利用碱性气体程序升温脱附、TG-DTA可以得到催化剂表面酸性分布的信息,特别是TPD-NH3的脱附谱图,可提供众多的固体超强酸催化剂表面的重要信息,如通过解析程序升温脱附图,可以确定固体超强酸表面的酸中心数、酸强度的分布,可对催化剂的制备及催化反应起指导作用.
4 结束语
固体超强酸催化剂应重点研究工业化的关键问题,如制备出活性更高、选择性更好、成本低的催化剂；研究解决固体催化剂与产物的工业分离、回收、重复利用和再生等工程中存在的问题.加强将新技术、边缘学科技术等引入固体超强酸的制备,如利用微波技术进行催化剂制备及载体改性,诱导固体超强酸的催化反应；利用微乳技术制备超细纳米催化剂等.重点开展表面酸与制备方法、促进剂、载体的关系以及酸性分布与制备方法、催化反应活性的关系的研究,进一步提高固体超强酸的制备方法.加强固体酸催化剂失活机理、再生方法的研究,为工业化提供必要条件.
的种类也从液体含卤素超强酸发展为无卤素固体超强酸、单组分固体超强酸、多组分复合固体超强酸.无论是催化剂的制备、理论探索、结构表征,还是工业应用研究都有了新的发现,固体超强酸由于其特有的优点和广阔的工业应用前景,已受到国内外学者广泛关注,成为固体酸催化剂研究中的热点.人们在不断开发新的固体酸催化剂和固体酸催化工艺的同时,也在不断地探讨固体酸的酸性形成的机理,探讨固体酸催化反应的机理.本文重点对固体超强酸改性、理论研究、表征技术、失活机理及应用领域进行综述,并指出了固体超强酸催化剂今后研究和开发的主要方向.
1 载体的改性
在单组分固体超强酸催化剂的应用中,人们发现主要活性组分s 一在反应中较易流失,特别是在较高温度条件下容易失活,这类单组分固体催化剂虽然有较好的起始催化活性,但单程寿命较短.通过对催化剂载体的改性,使催化剂能提供合适的比表面积、增加酸中心密度、酸种类型、增加抗毒物随着人们对固体超强酸不断深入研究,催化剂能力、提高机械强度等作用.目前改性研究的方向
主要有：以金属氧化物zK)2、Ti02和Fe2Ch为母体,加入其他金属或氧化物,形成多组元固体超强酸；引入稀土元素改性；引入特定的分子筛及纳米级金属氧化物等.
1．1 引入其他金属或金属氧化物
固体超强酸催化剂的制备对金属氧化物有特殊要求.有些氧化物如MgO、CaO、CuO、ZnO、CAO、03、MaO和Th 等,用一定浓度的s 一进行处理后,其酸催化活性并没有提高,说明并不是所有的金属氧化物都具有合成固体超强酸的条件,因为这不仅与氧化物的电子构成有关,而且还和金属离子的电负性及配位数的大小有密切联系.金属氧化物的电负性和配位数严重影响着与促进剂S -离子形成配位结构,因而有的得不到超强酸,或者生成相应的硫酸盐而只能得到表面酸性较小的固体酸.此外,还与氧化物的晶态有关.
卢冠忠等人[5]在催化剂组分中引入Al,制备了S 一／ri—Al—O型固体超强酸.Ti／A1原子比为2时催化性能优于s 一／rio2,并用于合成邻苯二甲酸二辛酯(DOP),对催化剂表征结果证实：在钛基固体超强酸中,引入一定量的铝可使催化剂的比表面积明显增大,能在表面产生弱酸、中等强酸与超强酸中心,并认为对于合成DOP模型反应,起作用的可能是催化剂表面的中等强度酸位.
夏勇德等人以铁基催化剂s -／Fe304为基体,在制备过程中引 入Al203,合成了s -／Fe304-Al203型固体超强酸.用于甲苯苯甲酰化反应表明,Al203的加入有利于延迟基体氧化物的晶化,sO4 -／Fe304-A1203(15％)的比表面积为115．6 m2／g,远大于sO4／Fe304的63．7 m2 ,提高了催化表面的硫含量,不仅使催化剂表面酸性增加,而且催化剂的强酸位中心增加,催化活性高于sO4／Tio2.雷霆等人将cr-sO4／Z 负载于7oAl203载体上,制成Cr-sO4／ZrO2 系列固体超强酸,利用丁烷低温异构化为探针反应,考察了超强酸性、中强酸性和弱酸性的变化情况,发现负载后的催化剂的活性有显著提高.廖德仲等人 J用Moth对钛系超强酸进行改性,所得sO4-／MOO3一Ti02型固体催化剂使用寿命长、活性好,促进剂与MoO3共存时,有较为明显的协同效应,是乙酸与异戊醇适宜的催化剂.而在sO4-AVI Oy型催化剂中引入铂、镍等金属可提高催化剂使用寿命.
1．2 引入稀土元素
研究表明,加入稀土Dy2O3可改善sO4-／Fe304型铁基固体催化剂的活性,对合成反应的稳定性有一定的提高l9J,也有人将稀土元素Th引入铁基固体超强酸催化剂的改性研究.陈里等人用稀土La对钛基催化剂进行改性,制备了sO4-／Ti-La—O型催化剂,并研究了它在催化方面的应用.徐景士等人制备了含稀土的固体超强酸催化剂,并将其用于合成羟基苯甲酸醚及酯化反应.发现含稀土固体超强酸催化剂显示出较高的催化活性,并具有较好的稳定性,催化剂可重复使用.林进等人报道了稀土固体酸sO4-／Tio2／La3 的制备及其催化酯化作用,用改性后的催化剂用于癸二酸与无水乙醇的反应,考察了影响反应的主要因素.郭锡坤等人[13]在sO4-／Z 制备过程中加入Dy2O3进行改性,并用于柠檬酸与正丁醇合成柠檬酸三正丁酯,考察了稀土加入后对催化剂的影响,用俄歇电子能谱分析重复使用后催化剂表层的组成,认为稀土Dy203对固体超强酸中的sO4-具有稳定作用,反复使用后的sO4-不易流失,而活性下降的主要原因是积碳所致.浙江大学在sO4-／Tio2基础上,将Ln 改性的sO4-／Tio2-Ln3 催化剂用于氯甲基杂硫丙烷的开环聚合反应,合成了高分子聚合物Ploy(CMT),其相对分子质量为3～4万,实验证明这种改性后的固体超强酸表面的B酸对开环聚合起着决定性作用.另外,J．Sommer等人对固体超强酸用于碳正离子型有机合成也进行了研究.
1．3 引入分子筛
对sO4-／MxOy型超强酸催化剂改性,使其具有一定的孔结构的研究工作,近年来受到了许多研究者的重视,如将锆系或钛系氧化物负载于分子筛上,然后用硫酸处理以制备具有高比表面积和一定孔结构的催化剂,有人合成了具有中孔结构的sO4-／ZrO2 .季山等人将分子筛的多孔性、结构规整性以及高比表面积与So4-／ZrO2 的强酸性结合起来,制得了具有sO4-／Zr-ZSM-11分子筛结构特征的超强酸催化剂.sO4-／ZrO2 基础上改性引入MCM一41,合成了Ho< -13．8的固体超强酸So4-／ZrO2／MCM-41,表面上含有比改性前更多的B酸和L酸中心,将其用于固定床反应器中,合成甲基叔丁基醚和正戊烷异构化反应,具有极好的反应选择性.同时分子筛和稀土引入,制备改性的ZrO2—Dy203／so14-HZSM-5固体超强酸催化剂,其中的ZrO2以四方晶体存在,具有较大的比表面积和较强的表面酸性,用于进行酯化反应时的催化剂有较好的催化反应活性.研究证明：这种催化剂失活的原因主要是表面积碳,而不是sO4-流失.
1．4 引入纳米粒子
北京化工大学的常铮等人,为了进一步提高固体超强酸的活性,开始探索用超细纳米氧化物作为载体,进行固体超强酸制备的研究 ,以原料Fe(NO3)3·9H2O为铁源,Co(NO3)2为Co源,用NH3·H20作沉淀剂,在400*(2下焙烧3 h,合成了新型的纳米复合固体超强酸SO4-／CoFe204和SO4-／Fe2O3,其 < -14．5,催化剂的粒径小于50 nm.
1．5 引入磁性或交联剂
汕头大学的郭锡坤等人利用硅、锆、累托土对固体酸进行交联,制备硅锆交联粘土固体超强酸(SO4-／Si—Zr-CLR)；焦作大学成战胜等人利用磁性、微波对固体超强酸进行改性,制备出磁性8042-／Fe2+Fe3+04-ZrO2固体超强酸催化剂,应用于柠檬酸三丁酯的合成反应中,较好地解决了固体超强酸催化剂和产物分离的问题.在制备固体酸催化剂时引入一些交联剂,提高了固体酸颗粒的强度,延长了催化剂的使用效率和寿命.
2 固体超强酸失活机理
固体超强酸的失活机理有以下几方面：①在催化合成反应中,如酯化、脱水、醚化反应等,系统内的水或水蒸气与表面的促进剂如SO4-接触,使其表面上的SO4-流失,使催化剂表面的酸中心数减少,导致酸强度减弱,催化剂活性下降；② 在有机反应中,由于反应物、产物在催化剂表面吸附、脱附及表面反应,碳及体系杂质会吸附、沉积在催化剂活性部位上造成积碳,而使催化剂的活性下降；③在反应过程中,由于体系中毒物的存在,使固体超强酸中毒；促进剂s 一在有些溶剂和产物中会被还原,s从+6价还原为+4价,使硫与金属结合的电负性显著下降,硫与金属氧化物的配位方式发生变化,导致表面酸强度减小,失去催化活性.上述3种失活是暂时失活,可通过重新洗涤、干燥、酸化、焙烧和补充催化剂所失去的酸性位,烧去积炭,恢复催化剂的活性.
3 固体超强酸的主要表征技术
固体超强酸催化剂的主要表征技术有红外光谱、热分析、x射线衍射、程序升温脱附、比表面分析、扫描电镜和透射电镜、俄歇电子能谱和光电子能谱等.借助上述技术,对固体超强酸催化剂的结构、比表面积、表面酸类型、酸强度、酸性分布、晶型与粒径等进行定性或定量测定,并与探针反应机理、反应条件相关联,从而确定结构与固体超强酸性能的关系.如图1中的螯合双配位IR指纹区：1240～1230cm-1 ,1125～1090cm-1,1035～995cm-1和960 940 cm-1,可分别归属为结构中的一SO双键与 单键；桥式配位IR指纹区：1195～1160cm-1,1110～1105cm-1,1035～1030 cm-1和990960 cm-1.除了各指纹区不同外,螯合双配位比桥式配位在最高频区可区别于硫酸盐.此外,利用原位IR吡啶,还可定性测定超强酸催化剂表面酸的种类,B酸位在1540 cm一、L酸在1450 cm 有特征吸收指纹.与IR—DTA结合,可以定性、定量分析固体催化剂表面的酸量.利用碱性气体程序升温脱附、TG-DTA可以得到催化剂表面酸性分布的信息,特别是TPD-NH3的脱附谱图,可提供众多的固体超强酸催化剂表面的重要信息,如通过解析程序升温脱附图,可以确定固体超强酸表面的酸中心数、酸强度的分布,可对催化剂的制备及催化反应起指导作用.
4 结束语
固体超强酸催化剂应重点研究工业化的关键问题,如制备出活性更高、选择性更好、成本低的催化剂；研究解决固体催化剂与产物的工业分离、回收、重复利用和再生等工程中存在的问题.加强将新技术、边缘学科技术等引入固体超强酸的制备,如利用微波技术进行催化剂制备及载体改性,诱导固体超强酸的催化反应；利用微乳技术制备超细纳米催化剂等.重点开展表面酸与制备方法、促进剂、载体的关系以及酸性分布与制备方法、催化反应活性的关系的研究,进一步提高固体超强酸的制备方法.加强固体酸催化剂失活机理、再生方法的研究,为工业化提供必要条件.