铜基金属-有机框架材料高效催化氧化苯合成对苯醌

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对苯醌是一种高附加值的精细化工原料,被广泛应用于染料、高分子及橡胶工业。目前工业上生产对苯醌采用的苯胺氧化法存在“三废”排放高、生产成本高等缺点,严重制约对苯醌产业的发展。利用H2O2氧化苯直接生产对苯醌是一条绿色经济的新型工艺路线,具有十分广阔的工业应用前景。近年来,金属有机框架材料(MOFs)在非均相催化领域表现出良好的活性和稳定性,开发用于苯一步氧化合成对苯醌的高选择性、高活性的绿色MOFs催化剂具有重要意义。(1)采用溶剂热法制备了铜基金属有机框架材料HKUST-1,并通过优化制备条件调控催化剂的结构组成和形貌特征,期望实现苯到对苯醌的高效和高选择性转化。氮气吸附-脱附、X射线光电子能谱、热重等分析手段表明,制备的催化剂有较大的比表面积、优异的孔隙结构和较高的热稳定性,同时催化剂骨架中分布着大量Cu2+不饱和活性位点。然后,通过单因素实验,确定了反应条件。在催化剂用量为0.15 g、反应温度为60℃、反应时间为80 min、n(过氧化氢):n(苯)=4:1、溶剂为乙腈的条件下,目标产物对苯醌能够取得高达64.61%的选择性和11.96%的收率。此外,催化剂表现出良好的稳定性,循环使用4次后,对苯醌的收率仍保持在10.87%以上。(2)采用Fe对HKUST-1进行改性,分别通过原位合成法和浸渍法制备了一系列不同Fe含量的Fex/HKUST-1催化剂,采用X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、氮气吸附-脱附等表征手段对催化剂的结构进行表征,并考察其用于苯选择性氧化反应的催化活性和稳定性。结果表明:Fex/HKUST-1系列催化剂在苯氧化制对苯醌反应中都具有较好的初始催化性能。在原位合成法中,Fe0.81/HKUST-1IS(n(Fe/Cu)=0.81%)的催化活性最好,能够将对苯醌收率提升至14.25%。循环使用4次后,收率未见明显下降。原位合成过程中大部分Fe并不能参与配位实现对骨架Cu的同晶取代,导致Fe实际引入量极少,不能通过提升Fe含量进一步提升催化活性。在浸渍法中,Fe3.5/HKUST-1IW能够将对苯醌收率提升至16.86%,但催化剂循环4次后,收率下降至12.8%,表明通过浸渍法合成的Fex/HKUST-1IW催化剂存在活性组分流失问题,稳定性较差。
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