摘要：通过芳香族化合物的碳-氢键活化与选择氧化,可以将廉价芳香烃类原料转化为高附加值含氧产品,因此,该反应在基础研究和工业生产中均受到广泛关注.传统的苯乙酮生产工艺存在毒性底物使用、催化剂回收困难、反应条件苛刻以及产物收率低等问题.通过大量的研究探索,科研人员进一步改进其生产工艺,利用环烷酸钴作为均相催化剂,实现了无溶剂条件下分子氧直接选择氧化乙苯生成苯乙酮.相比均相催化,多相催化在催化剂回收和产物分离方面具有优势,更适合工业化生产.因此,开发用于乙苯选择氧化制苯乙酮的高效稳定多相催化体系非常重要,但具有较大挑战.本文采用原位配体保护的水热合成法将钴配合物(钴-二乙烯三胺)封装在Y型分子筛中,并经进一步焙烧去除配体成功制得Co@Y分子筛催化剂.在无溶剂、无添加剂的条件下,单位点Co作为Co@Y分子筛催化剂的活性位点可催化乙苯选择氧化生成苯乙酮.X射线粉末衍射、透射电镜、紫外可见光吸收光谱和固体核磁共振谱等结果表明,该单位点Co(Co^(2+))通过与骨架氧原子作用稳定限域在Y型分子筛中.为明确Co@Y分子筛催化剂中单位点Co在乙苯氧化反应中所起的重要作用,本文还对比了不同后合成方法所制备的Y分子筛(Co/Y,Co-Y)催化剂及工业环烷酸钴催化剂的催化性能.结果表明,在相同反应条件下,Co@Y分子筛催化剂表现出最高的催化性能,也说明在乙苯氧化反应过程中Co@Y分子筛催化剂的单位点Co有别于上述其他催化剂的活性位点.此外,在Co@Y催化剂热过滤实验中未检测出Co物种浸出,表明Co@Y分子筛催化乙苯氧化反应为多相催化过程,并且在多次循环测试后,Co@Y催化剂结构和反应活性均未发生明显变化.这两项实验均表明Co@Y催化剂具有高稳定性.值得注意的是,在乙苯氧化反应过程中观察到自加速现象,为此进行了对比实验(添加苯甲醛或1-苯乙醇的对比实验)和反应动力学分析.结果表明,痕量苯甲醛或1-苯乙醇的加入会显著改变Co@Y催化剂在乙苯氧化反应中的催化行为,痕量苯甲醛的加入可将反应表观活化能从69.7降至53.7 kJ/mol.本文也通过第一性原理密度泛函理论(DFT)计算系统研究了Co@Y分子筛催化剂单位点Co处乙苯选择氧化反应机理及反应过程中自加速现象产生的原因.DFT计算结果结合上述对比实验和反应动力学分析结果表明,加入痕量苯甲醛或者1-苯乙醇后部分乙苯会直接氧化生成苯乙酮,而非通过乙苯→1-苯乙醇→苯乙酮的途径生成苯乙酮.DFT计算结果也阐明反应过程中自加速现象的产生源于单位点Co处活性氧物种(O^(*))的生成.该活性氧物种在乙苯、苯甲醛和1-苯乙醇的氧化途径中均能自发生成,并且该物种类似“引发剂”促使后续更多链式反应的发生,在乙苯氧化反应过程中具有非常重要的作用.综上所述,本文为理解芳香族化合物碳-氢键选择氧化实验现象与催化作用机制提供了有益见解,可为理性设计开发更高效的催化剂提供新思路.

摘要：单位点催化剂因具有较好的活性、较高的原子利用率和目标产物选择性,在基础科学研究及工业生产领域受到了广泛关注.然而,单位点催化剂的合成策略通常较为繁琐,需要精细调控金属活性中心与载体之间的相互作用.较弱的相互作用可能会导致金属活性位点的迁移和聚集,形成金属团簇,进而引发不必要的副反应.另一方面,过分紧密的相互作用可能会限制金属活性位点的原子效率,从而降低反应活性.本文开发了一种简单通用的自分散策略,用于制备金属态单位点催化剂.该方法利用过渡金属活性中心镍在惰性载体(铝和镁)中的自分散行为,成功构筑了含有孤立过渡金属镍活性中心的全金属催化体系.X射线光电子能谱、低能离子散射和球差矫正扫描透射电子显微镜等表征结果证实了镍/铝催化剂中镍物种以金属态存在,且以孤立状态均匀分布于铝基载体的亚表层.在气固相乙炔选择加氢反应中,镍/铝和镍/镁催化剂表现出较好的催化性能,能够实现100%的乙炔转化率和高乙烯选择性.值得注意的是,镍/铝催化剂在碳碳三键选择加氢反应中的催化性能甚至超越了工业界广泛使用的林德拉催化剂.稳定性测试结果表明,镍/铝催化剂在长达90 h的连续反应中,能够维持稳定的乙炔转化率和乙烯选择性,没有明显的活性下降,进一步印证了其在工业应用中的潜在价值.结合动力学分析、原位红外光谱、氢-氘-乙炔脉冲响应实验以及理论计算等结果,详细阐释了镍/铝催化体系上乙炔选择加氢的反应机制.结果表明,氢气分子优先在镍/铝催化剂表面吸附并发生解离,生成氢原子,随后与乙炔分子逐步反应生成乙烯.在该过程中,氢气的解离活化是整个反应过程的决速步.此外,还进一步探讨了镍/铝催化体系对液相炔烃、炔醇选择加氢的性能,发现该催化剂可以在较为温和的条件下高效催化不同官能团修饰的炔烃、炔醇的选择加氢反应,同时保持高底物转化率和较好的烯烃、烯醇选择性,且表现出较好的循环稳定性.综上所述,本文发展了一种全金属单位点催化体系的通用构筑策略,不仅扩展了单位点金属催化体系的合成方法,同时利用全金属体系的本征优势,为化学转化反应过程提供了新的思路.上述发现为设计合成新型高效催化体系提供了重要的理论和实验依据,有望在精细化学品合成工业中得到应用.

摘要：1,2-二醇主要由环氧化合物水合产生、广泛用于防冻剂,聚酯树脂和医药等化学品中间体的生产.研究表明,具有Lewis酸性的含锡沸石分子筛在环氧化物的水合反应中表现出优异的催化性能.环氧化合物是众所周知的碳亲电体之一,主要由烯烃环氧化生成.含Ti(Ⅳ)沸石,如Ti-Beta和TS-1,是烯烃环氧化反应的高效催化剂.串联催化可以将多步反应整合为一次反应,无需分离中间体,有效缩短合成路线,提高生产效率.因此,双功能Ti和Sn分子筛有望应用于烯烃制二醇的串联催化反应中,即烯烃在Ti活性位点上发生环氧化反应,随后在Sn位点上发生水合反应,进而串联一步生成1,2-二醇.在沸石分子筛中产生孤立的多功能活性位点是将多步反应整合成串联催化反应的一种有吸引力的设计策略.本文通过简单且可规模制备的后合成路线构建了双功能TiSn-Beta分子筛,并用于烯烃串联催化制1,2-二醇反应.一方面,该反应中的过氧化氢溶液既能提供氧化剂(如H2O2)用于烯烃环氧化反应,又能提供环氧化合物水合反应的亲核试剂(如H2O);同时TiSn-Beta作为一种高效双功能催化剂,孤立的Ti和Sn活性中心可以有效地将烯烃环氧化反应和环氧化物水合反应串联在沸石微反应器中,实现烯烃一步转化为1,2-二醇.另一方面,沸石的限域效应较好地保证了烯烃环氧化和环氧化物水合的高串联速率和目标产物的高选择性,在最优的反应条件下,1,2-二醇选择性高达90%以上,收率接近70%.本文结果表明沸石分子筛是构筑多功能孤立活性位点的理想载体,为其他串联反应催化剂的设计提供了良好的借鉴.

摘要：羧酸选择加氢是合成醇的重要方法,廉价高效的催化体系仍然在探索中.我们利用地球上储量丰富的钴氧化物作为催化剂,通过控制催化反应过程,进而实现高选择性地催化羧酸加氢制备醇.一系列含有不同官能团的羧酸可以被选择加氢至相应的醇类化合物,反应选择性可以满足工业生产要求.通过一系列的谱学表征以及理论计算,我们证实了钴氧化物在羧酸选择加氢反应中的优选活性位点位为氧化亚钴,从而建立了催化剂与反应活性之间的构效关系,为催化剂的理性设计提供指导.首先,我们选取硬脂酸加氢反应作为模型反应,通过对地球上储量丰富的氧化镍、四氧化三铁和四氧化三钴的催化活性对比发现,四氧化三钴催化剂活性最高,在473 K,2 MPa氢气条件下,反应速率可以达到1.2 mmol/(h·g).对四氧化三钴催化剂进行不同温度的预还原处理,我们发现催化剂的活性得到显著提高,其中573 K还原的样品活性最高,反应速率可以达到7.3 mmol/(h·g),要远远高于贵金属催化剂Pd/C(0.6 mmol/(h·g))和Pt/C(1.8 mmol/(h·g)).XRD结果表明,随着还原处理温度的不断升高,催化剂由四氧化三钴变为氧化亚钴,最终变为金属态的钴.当还原温度为573 K时,催化剂的组成为单一相氧化亚钴.XPS测试结果表明,当还原温度为573 K时,样品中只含有Co^(2+)的信号峰,并且Co/O的比例为1/1,进一步证明样品是纯态的氧化亚钴.从TEM照片中可以发现,在原始的四氧化三钴样品中观察到晶面间距为0.467和0.244 nm,分别对应四氧化三钴的(111)和(311)晶面.而对于573 K还原的样品只观察到一种晶面间距(0.246 nm),对应氧化亚钴的(111)晶面.结合表征手段和硬脂酸催化加氢活性结果,我们得出氧化亚钴是573 K还原样品催化羧酸加氢反应的活性位点.理论计算结果进一步证实了这个实验结论.理论计算结果表明,在氧化亚钴(111)晶面,硬脂酸加氢转换为十八醇是非常快速和高效的,然而,对于氢解C-C键和C-O键,需要耗费更高的能量,能垒约为1.2 e V.因为硬脂酸的吸附远远强于十八醇的吸附,硬脂酸的存在会抑制十八醇氢解形成烯烃的反应,只有当硬脂酸酸完全转化为十八醇,才会发生随后的氢解反应.通过控制催化反应过程,可以实现在氧化亚钴(111)晶面高选择性催化酸加氢至醇,也就是反应控制催化过程.基于氧化亚钴在硬脂酸加氢制备十八醇上的优异催化性能,我们进一步研究了一系列含有不同官能团的羧酸化合物的催化加氢,发现氧化亚钴表现出良好的官能团容忍度,可以实现高效、广谱的酸选择加氢至醇反应.

摘要：我国高校学生听说读写的基本技能主要通过课堂教学获取,如何有效地提高英语课堂教学,培养学生扎实的语言基础,成为师生越来越关注的核心问题。教师在课堂教学中对教学目标的宏观把握及语言微观技能的具体传授,可帮助学生掌握良好的语言学习方法,提高文化素养,以适应社会发展和经济建设的需要。

摘要：甲烷是一种重要的温室气体,其开发利用过程中不完全燃烧所残留的气体排放到大气中会造成严重的环境问题,因此提高甲烷燃烧效率显得尤为重要.与传统燃烧方式相比,催化燃烧在低温区表现出高的燃烧效率,成为甲烷燃烧理想的选择.在实际应用时,甲烷燃烧催化剂应在低温区具备高的催化活性,同时在过量水蒸气存在下具备好的稳定性.负载型Pd基催化剂是当前研究最多的甲烷燃烧催化剂,Pd粒子尺寸、载体类型、酸性位点以及金属与载体的相互作用是影响甲烷燃烧活性与稳定性的关键因素.本文设计了原位水热合成路线将孤立的Pd离子稳定封装于MFI分子筛孔道内(Pd@MFI),以期获得高活性、高稳定性的甲烷燃烧催化剂,并揭示其反应机理与构效关系.通过X射线粉末衍射、高分辨透射电子显微镜以及球差校正扫描透射电子显微镜分析了Pd@MFI催化剂的基本结构,并直接观测了Pd物种在分子筛晶体中的分布;进而利用氨气程序升温脱附、固体核磁共振、氢气程序升温还原、X射线光电子能谱(XPS)和CO吸附红外光谱等表征技术研究了催化剂的酸性以及Pd在分子筛中的存在状态.表征结果证实,通过原位水热合成方法可将Pd物种以Pd^(2+)和Pd(OH)^(+)的形式封装在MFI分子筛孔道内,孤立的Pd离子与分子筛骨架之间存在着强相互作用,有效稳定Pd离子并实现贵金属Pd的最大化利用.在甲烷燃烧反应中,Pd@H-ZSM-5在高空速下表现出较好的催化活性与较低的表观活化能(70.7 kJ/mol).热稳定性及耐水性测试结果表明,Pd@H-ZSM-5在400℃下连续反应100 h后甲烷燃烧活性无明显下降,且反应后Pd物种在分子筛孔道内仍保持高度分散,说明该催化剂在甲烷燃烧过程中具备优异的稳定性和抗烧结性能.通过反应动力学、程序升温脱附以及原位红外光谱等技术手段研究了甲烷催化氧化机理,结果表明,BrΦnsted酸性位点的存在有利于甲烷吸附并促进其在相邻Pd位点上活化,在MFI分子筛限域空间内形成Pd位点和BrΦnsted酸性位点的有效协同.原位近常压XPS分析结果表明,Pd@H-ZSM-5催化的甲烷燃烧过程中存在着Pd^(2+)-Pd^(n+)-Pd^(2+)的可逆氧化还原循环.综合分析上述结果,最终可阐明Pd@H-ZSM-5模型催化剂上甲烷燃烧的反应机理.