钼基催化剂催化二甲醚氧化合成甲酸甲酯的研究

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甲酸甲酯是一种重要的化工基础品和化工中间体,当前主要的工业合成方法是甲醇羰基化法,但甲醇羰基化法中使用甲醇钠作为催化剂,易与水和二氧化碳等反应,造成催化剂失活;甲醇钠与甲酸甲酯为均相,不易分离。采用钼锡复合金属氧化物催化氧化二甲醚制备甲酸甲酯是一种高效的绿色工艺,在常压和低温的条件下,可以高效地制备甲酸甲酯,并且容易分离。本论文中,设计并采用硝酸沉淀法制备出钼锡催化剂,对钼锡催化剂的结构与二甲醚活化及甲氧基转化制备甲酸甲酯之间的构效关系进行了深入研究,同时考察了不同载体和不同原料对甲氧基转化的影响。主要结论如下:  1.钼锡催化剂结构对二甲醚催化氧化产物选择性调控  采用硝酸共沉淀法制备钼锡催化剂,通过调节钼锡比例,硝酸含量,焙烧温度等对钼锡催化剂的结构进行选择性调变,进而对二甲醚氧化产物甲醛和甲酸甲酯进行选择性调控。通过相关表征发现,随着锡氧化物含量的增加,钼氧化物的晶体结构从三维的钼氧化物晶体逐渐变为低聚态的钼氧化物域;钼氧化物域中的钼原子是相对的贫电子中心,对甲氧基以及甲醛等供电子基团有较强的吸附,有利于甲氧基和甲醛进行偶合反应,生成甲酸甲酯。  2.钼锡界面对二甲醚中甲氧基催化氧化制备甲酸甲酯有重要影响  通过硝酸共沉淀法制备出一系列钼锡界面接触程度不同的催化剂,对催化剂进行评价和表征后发现,随着钼锡界面接触程度提高,甲氧基和甲醛等中间物种转化生成甲酸甲酯的能力提升,这表明高的钼锡界面接触程度有利于甲氧基等中间物种生成甲酸甲酯。XAFS表征进一步证明,随着钼锡界面接触程度提高,界面处的Mo-O键伸长,键能减弱,有利于晶格氧的断裂,参与氧化循环,这可能是钼锡界面接触程度较高的催化剂高效催化二甲醚生成甲酸甲酯最主要的原因。关联实验表明,较低反应温度下钼锡界面处的五价钼参与氧化循环,可能是二甲醚中甲氧基转化生成甲酸甲酯的氧化还原中心。  3.载体与钼氧化物之间相互作用对对二甲醚选择性氧化路径的影响  通过将钼氧化物负载到SBA-15,γ-Al2O3,ZSM-5和MgO四种载体上,研究不同载体对钼氧化物结构和性质的调变作用。浸渍溶液的酸碱性和载体表面的酸碱性对催化剂表面钼氧化物四面体和八面体所占比例都有一定的影响,但载体表面的酸碱性对这种比例的调节作用更大。除此之外,不同载体对催化剂表面的氧物种也有重要的调节作用,MoO3-γ-Al2O3和MoO3-MgO表面的晶格氧含量较高,而MoO3-SBA-15和MoO3-ZSM-5表面的羟基氧含量较高。通过关联实验证实,载体对钼氧化物结构和性质的调变会对二甲醚选择氧化路径产生较大的影响。  4.钼锡催化剂上催化甲醇氧化合成甲酸甲酯机制的研究  采用混合焙烧的方法制备得到钼锡催化剂,通过评价甲醇来源的甲氧基转化,发现钼锡的比例对甲氧基转化影响微弱,而反应温度对甲氧基转化的影响较大,这与钼锡催化剂催化二甲醚来源的甲氧基转化时截然不同。甲醇来源的甲氧基在钼锡催化剂上是通过甲酸盐中间体转化制备得到甲酸甲酯,而二甲醚来源的甲氧基在钼锡催化剂上是可能是通过甲氧基和甲醛偶合生成甲酸甲酯的。
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