郭立穎,鄧?yán)蚶?,胡衛(wèi)東,金先超,殷龍珠
(沈陽工業(yè)大學(xué)石油化工學(xué)院,遼寧 遼陽 111003)
離子液體催化轉(zhuǎn)化CO2合成碳酸丙烯酯
郭立穎,鄧?yán)蚶?,胡衛(wèi)東,金先超,殷龍珠
(沈陽工業(yè)大學(xué)石油化工學(xué)院,遼寧 遼陽 111003)
首先采用7種離子液體分別催化二氧化碳與環(huán)氧丙烷合成碳酸丙烯酯,考察離子液體種類對催化性能的影響,確定最優(yōu)催化劑是離子液體溴化1-乙胺基-3-甲基咪唑鹽[AeMIM]Br。然后研究輔助催化劑Lewis酸與離子液體[AeMIM]Br復(fù)合體系對催化性能的影響,再將最優(yōu)復(fù)合催化體系[AeMIM]Br/(ZnBr2)2與正硅酸乙酯通過溶膠-凝膠法制備硅膠負(fù)載型復(fù)合離子液體,實(shí)現(xiàn)催化劑的相態(tài)轉(zhuǎn)變并有利于實(shí)現(xiàn)固定床催化工藝,研究硅膠負(fù)載的復(fù)合離子液體催化轉(zhuǎn)化二氧化碳進(jìn)行環(huán)加成反應(yīng)的影響。結(jié)果表明,離子液體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對催化性能影響很大,對于烷基咪唑離子液體其側(cè)鏈長度越長,催化性能越好;功能化離子液體催化性能要優(yōu)于烷基咪唑離子液體,且Lewis酸ZnBr2的加入明顯提高催化效果。當(dāng)正硅酸乙酯與復(fù)合離子液體[AeMIM]Br/(ZnBr2)2配比為1∶2時(shí),所制備的硅膠負(fù)載復(fù)合離子液體催化性能最佳,其轉(zhuǎn)化率為96.9%,選擇性為94.8%,轉(zhuǎn)化頻率為3124h-1。該催化劑催化性能穩(wěn)定,可多次循環(huán)使用。
離子液體;催化;二氧化碳
碳酸丙烯酯是一種良好的高沸點(diǎn)、高極性的有機(jī)溶劑,作為優(yōu)良的有機(jī)化工產(chǎn)品,其在金屬萃取、氣體分離、有機(jī)合成、電池電解液等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用[1-5]。將二氧化碳與環(huán)氧丙烷通過環(huán)加成法合成碳酸丙烯酯,可將二氧化碳通過化學(xué)方法轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)品,符合綠色化學(xué)的要求,有較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益,也是極少數(shù)以二氧化碳為原料實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的路線之一[6-12]。該路線采用的傳統(tǒng)催化劑有季胺鹽[13]、金屬鹵化物[14]、過渡金屬配合物[15]、離子液體[16-17]等。離子液體是近年來興起的“綠色溶劑”,因其特有的優(yōu)異性質(zhì)使其在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[18-21]。其中,離子液體所具有的“非”揮發(fā)性以及對二氧化碳獨(dú)特的溶解能力,使之在催化轉(zhuǎn)化二氧化碳合成碳酸丙烯酯的反應(yīng)中具有顯著的應(yīng)用價(jià)值[22-23],但因離子液體常溫下為液體,所以催化過程只能采用釜式催化,且反應(yīng)后需要分離回收,若能將離子液體進(jìn)行固載,在保證催化性能不受影響的前提下實(shí)現(xiàn)其相態(tài)轉(zhuǎn)變,再用于固定床催化工藝合成碳酸丙烯酯,將具有廣闊的應(yīng)用前景。
本文首先合成了溴代1-丁基-3-甲基咪唑離子液體[C4MIM]Br、溴代1-十四烷基-3-甲基咪唑離子液體[C14MIM]Br、溴代1-十六烷基-3-甲基咪唑離子液體[C16MIM]Br、溴代1-十八烷基-3-甲基咪唑離子液體[C18MIM]Br、氯代1-(2-羥乙基)-3-甲基咪唑離子液體[HeMIM]Cl、氯代1-羧乙基-3-甲基咪唑離子液體[CeMIM]Cl、溴代1-乙胺基-3-甲基咪唑離子液體[AeMIM]Br,并將上述離子液體用于催化轉(zhuǎn)化二氧化碳合成碳酸丙烯酯,探討了Lewis酸助催化劑與離子液體復(fù)配后對催化性能的影響,研究了硅膠負(fù)載的復(fù)合離子液體催化體系的性能與機(jī)理,為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化固定床連續(xù)生產(chǎn)環(huán)狀碳酸酯提供理論依據(jù)。
主要試劑:N-甲基咪唑,工業(yè)級,臨海市凱樂化工廠;溴代正丁烷、氯乙醇,均為分析純,天津市福晨化學(xué)試劑廠;溴代十四烷、溴代十六烷、氯乙酸,均為分析純,沈陽市東興試劑廠;溴代十八烷,分析純,遼寧新興試劑有限公司;2-溴乙胺鹽,分析純,上海南翔化學(xué)試劑有限公司;溴化鋅、氯化鋅,均為分析純,天津市光復(fù)化學(xué)試劑廠;氯化鐵,分析純,廈門海標(biāo)科技有限公司;氯化銅,分析純,成都市聯(lián)合化工試劑研究所;正硅酸乙酯,含量(以SiO2計(jì))為28.0%,分析純,天津大茂化學(xué)試劑廠;氯化鋁、氯化鎳、乙醇、乙酸乙酯、環(huán)氧丙烷,均為分析純,均購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
主要儀器:采用MAGNA-IR750型傅里葉紅外光譜儀(FTIR)測定離子液體催化劑化學(xué)結(jié)構(gòu);采用D/max-2400型全自動(dòng)X射線衍射儀測定負(fù)載后離子液體催化劑的結(jié)晶結(jié)構(gòu);采用TGA4000型熱重分析儀測定負(fù)載后離子液體催化劑的熱穩(wěn)定性;采用PARR4523型催化實(shí)驗(yàn)裝置(美國PARR公司)進(jìn)行催化反應(yīng);采用1790F氣相色譜儀(安捷倫科技有限公司)測定產(chǎn)物碳酸丙烯酯的純度;此外還需D08-8C二氧化碳質(zhì)量流量計(jì)、SFX-2L型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、DF-101S集熱式磁力攪拌器、DZF-6050型真空干燥箱、2-XZ-4型旋片真空泵等儀器。
首先合成了7種咪唑離子液體[C4MIM]Br、[C14MIM]Br、[C16MIM]Br、[C18MIM]Br、[HeMIM]Cl、[CeMIM]Cl、[AeMIM]Br[24],再將離子液體[AeMIM]Br與溴化鋅、氯化鋅、氯化鐵、氯化鋁、氯化銅、氯化鎳等鹽按摩爾比1∶2的比例混合加入帶有冷凝回流管的圓底燒瓶中,在100℃的條件下反應(yīng)24h,制備出Lewis酸復(fù)合離子液體催化體系。
將體積比為3∶2的正硅酸四乙酯(TEOS)和乙醇溶液加入到固定容積的圓底燒瓶中,混合加熱至60℃,并加以攪拌。然后按正硅酸乙酯與[AeMIM]Br/(ZnBr2)2的摩爾比為1∶2的比例緩慢加入離子液體至混合溶液中,在攪拌作用下逐漸呈現(xiàn)油珠狀懸浮液體系。繼續(xù)攪拌并滴加鹽酸(體積為離子液體的2倍)至懸浮體系中,體系顏色逐漸變淡,油珠逐漸消失,黏度逐漸增大,逐漸凝固成膠體狀。在60℃條件下陳化此膠體6h后,將凝膠狀體系置于干燥箱內(nèi)150℃干燥24h,得固體產(chǎn)物,研磨后得淡黃色固體粉末即為硅膠負(fù)載后[AeMIM]Br/(ZnBr2)2咪唑離子液體催化劑。采用熱重分析儀和X射線衍射儀對其熱穩(wěn)定性和結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定分析。
將一定量的離子液體催化劑加入到300mL高壓反應(yīng)釜中,密封后用氮?dú)庵脫Q釜內(nèi)空氣,再由進(jìn)氣旁路充入CO2至1.0MPa,采用壓力計(jì)量器加入環(huán)氧丙烷150mL(130.5g),調(diào)節(jié)CO2流量,設(shè)定反應(yīng)溫度、壓力,并開啟攪拌,轉(zhuǎn)數(shù)為200r/min。當(dāng)觀察到CO2流量計(jì)流量為零時(shí),繼續(xù)反應(yīng)5min,打開冷卻水,并降至室溫后泄壓,將釜內(nèi)產(chǎn)品置入蒸餾瓶內(nèi)于135℃、0.09MPa條件下減壓蒸餾,殘留的離子液體催化劑直接重復(fù)使用,蒸出的無色液體即為碳酸丙烯酯,稱重,采用氣相色譜測定純度,測定條件為FID檢測器280℃,SE-54色譜柱,升溫速率為15℃/min,程序升溫至260℃保持20min。計(jì)算轉(zhuǎn)化率和選擇性[25]。
采用MAGNA-IR750傅里葉紅外光譜儀對合成的離子液體[AeMIM]Br、復(fù)合離子液體[AeMIM]Br/(ZnBr2)2及硅膠負(fù)載復(fù)合離子液體[AeMIM]Br/(ZnBr2)2-Si進(jìn)行紅外結(jié)構(gòu)表征,如圖1。
圖1 硅膠負(fù)載前后離子液體催化劑的紅外譜圖
由圖1中譜線a可以看出,3424cm–1是氨基的特征吸收,3104cm–1和2940cm–1分別是甲基和亞甲基的特征吸收峰,1607cm–1是咪唑環(huán)上C==C的特征吸收峰,1545cm–1是咪唑環(huán)上C==N的特征吸收峰,752cm–1是咪唑環(huán)的彎曲振動(dòng)峰。與譜線c相比,譜線a與譜線b中具有譜線c的全部特征峰,不同的是在3414cm–1處的羥基峰增強(qiáng)變寬,這是因?yàn)殡x子液體負(fù)載到硅膠后殘余的硅羥基所致,此外,在1171cm–1和807cm–1處分別出現(xiàn)了新峰,這分別是Si—O鍵反對稱伸縮振動(dòng)峰和對稱伸縮振動(dòng)吸收峰,因此紅外譜圖分析初步說明了硅膠負(fù)載復(fù)合離子液體催化劑制備成功。
對上述合成的硅膠負(fù)載型復(fù)合離子液體催化劑[AeMIM]Br/(ZnBr2)2-Si進(jìn)行TG熱性能測試,測試溫度從室溫升高到700℃,其中正硅酸乙酯與[AeMIM]Br/(ZnBr2)2的摩爾比分別為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4,分別對應(yīng)圖2中的曲線a、b、c、d。
由圖2可知,正硅酸乙酯與復(fù)合離子液體[AeMIM]Br/(ZnBr2)2的摩爾比不同,熱重曲線開始分解溫度、最大分解溫度和質(zhì)量殘留率均不同,這說明離子液體負(fù)于載硅膠的方式是化學(xué)負(fù)載法。催化劑的熱重曲線大致分兩階段:第一階段從室溫到105℃為脫水階段:第二階段從200~350℃為催化劑的分解階段。當(dāng)正硅酸乙酯與[AeMIM]Br/(ZnBr2)2的摩爾比為1∶1時(shí),催化劑的開始分解溫度為209℃,最大分解溫度為296℃,當(dāng)溫度達(dá)到346℃時(shí)分解基本完畢,殘余量為35.4%。隨著離子液體比例的增加,開始分解溫度變化不大,但最大分解溫度逐漸增大,殘余量逐漸降低,但殘留量并不隨著比例的變化而均勻變化,這說明離子液體負(fù)載于硅膠除了化學(xué)負(fù)載方式之外還有物理負(fù)載法,但圖中曲線說明了負(fù)載方式是以化學(xué)負(fù)載為主的。此外,熱重曲線還說明了催化劑的熱穩(wěn)定性較好,催化過程中反應(yīng)溫度在180℃以下都不會(huì)發(fā)生化學(xué)分解。
圖2 不同摩爾配比的負(fù)載型[AeMIM]Br/(ZnBr2)2-Si催化劑的TG圖
對硅膠負(fù)載型離子液體催化劑[AeMIM]Br/(ZnBr2)2-Si進(jìn)行X射線衍射分析,正硅酸乙酯與[AeMIM]Br/(ZnBr2)2的摩爾比分別為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4,分別對應(yīng)圖3中的曲線a、b、c、d。
圖3 不同摩爾配比的負(fù)載型催化劑[AeMIM]Br/(ZnBr2)2-Si的XRD圖
由圖3可知,硅膠負(fù)載型復(fù)合離子液體催化劑[AeMIM]Br/(ZnBr2)2-Si在12.70°、26.08°、37.81°處出現(xiàn)溴化鋅的衍射峰,在22.32°出現(xiàn)硅的衍射峰,并且結(jié)晶峰明顯,說明復(fù)合離子液體主要以共價(jià)鍵方式化學(xué)鍵合負(fù)載到硅膠上。相比a、b、c、d這4條曲線,隨著復(fù)合離子液體比例增加的同時(shí),溴化鋅的衍射峰有加強(qiáng)趨勢而硅的衍射峰有下降趨勢,說明復(fù)合離子液體在與硅醇化學(xué)鍵合時(shí),脫掉水的同時(shí)也可能釋放少量酸性氣體從而損壞部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)。
采用以下7種離子液體催化轉(zhuǎn)化二氧化碳合成碳酸丙烯酯,溫度為80℃,壓力為1.5MPa,轉(zhuǎn)速為200r/min,催化劑添加量為環(huán)氧丙烷質(zhì)量的1.0%,考察不同離子液體對純度、轉(zhuǎn)化率、選擇性和轉(zhuǎn)化頻率的影響,結(jié)果見表1。
表1 離子液體種類對催化性能的影響
表1數(shù)據(jù)說明,隨著烷基咪唑離子液體的側(cè)鏈長度的增加,轉(zhuǎn)化率逐漸增大,催化選擇性逐漸增大,這是因?yàn)殡x子液體烷基側(cè)鏈增長,會(huì)增加陰陽離子間的距離,減弱靜電作用,從而使陰離子具有更強(qiáng)的活化能力和親和能力,進(jìn)而提高轉(zhuǎn)化率和選擇性,同時(shí)長側(cè)鏈的咪唑離子液體與短鏈相比,可以溶解更多的二氧化碳和環(huán)氧丙烷,促進(jìn)環(huán)加成反應(yīng)進(jìn)行。同時(shí)表1中數(shù)據(jù)也說明了功能化離子液體催化性能要優(yōu)于烷基咪唑離子液體催化劑,且離子液體的功能基團(tuán)不同,催化效果也不盡相同。比較表1中數(shù)據(jù)可知,帶有氨基功能基團(tuán)的溴代咪唑離子液體[AeMIM]Br催化效果最好,但整體看來單獨(dú)使用任何一種離子液體催化合成碳酸丙烯酯的催化效果都不理想。
選用上述離子液體[AeMIM]Br,其與不同種類Lewis酸摩爾比為1∶2,反應(yīng)溫度80℃,壓力1.5MPa,催化劑添加量為環(huán)氧丙烷質(zhì)量的2.0%,考察不同離子液體對純度、轉(zhuǎn)化率、選擇性和轉(zhuǎn)化頻率的影響,結(jié)果見表2。
表2 Lewis酸種類對催化性能的影響
表2中數(shù)據(jù)說明Lewis酸輔助催化劑的加入大幅度提高催化效果,且Lewis酸種類對催化效果的影響順序?yàn)閆nBr2>ZnCl2>NiCl2>FeCl3>CuCl2>AlCl3。這是因?yàn)樘砑覮ewis酸輔助催化劑,可以增大陰離子濃度,有助于環(huán)氧化合物開環(huán),從而提高轉(zhuǎn)化率、選擇性和轉(zhuǎn)化頻率。因此將離子液體[AeMIM]Br與ZnBr2組成的離子液體復(fù)合催化體系[AeMIM]Br/(ZnBr2)2的催化效果最好,其轉(zhuǎn)化率為100%,選擇性為97.3%,轉(zhuǎn)化頻率為3035h–1。
將正硅酸乙酯與復(fù)合離子液體[AeMIM]Br/(ZnBr2)2的摩爾配比分別采用1∶1、1∶2、1∶3、1∶4,得到不同結(jié)構(gòu)的硅膠負(fù)載型復(fù)合離子液體催化劑[AeMIM]Br/(ZnBr2)2-Si,研究其對催化性能的影響,反應(yīng)條件為80℃、1.5MPa、200r/min,催化劑添加量為環(huán)氧丙烷質(zhì)量的2.0%,考察不同摩爾配比的[AeMIM]Br/(ZnBr2)2-Si對純度、轉(zhuǎn)化率、選擇性和轉(zhuǎn)化頻率的影響,結(jié)果見表3。
表3 [AeMIM]Br/( ZnBr2)2-Si在不同摩爾配比下的催化性能比較
由表3可知,正硅酸乙酯與復(fù)合離子液體[AeMIM]Br/(ZnBr2)2的摩爾配比為1∶1時(shí),其轉(zhuǎn)化率和選擇性都不夠高,隨著比例的增大,硅含量逐漸下降,但轉(zhuǎn)化率和選擇性都有所提高,其中當(dāng)摩爾比為1∶2時(shí),得到的催化選擇性、轉(zhuǎn)化率及轉(zhuǎn)化頻率都最高,這說明[AeMIM]Br/( ZnBr2)2與正硅酸乙酯的摩爾比不是越大越好,適當(dāng)?shù)谋A艄枇u基有利于提高催化體系的酸性,從而提高催化效果,最佳配比是正硅酸乙酯與離子液體的摩爾比為1∶2。
選用正硅酸乙酯與復(fù)合離子液體的摩爾配比為1∶2的催化劑[AeMIM]Br/(ZnBr2)2-Si,研究其循環(huán)使用性能,反應(yīng)條件為80℃、1.5MPa、200r/min,催化劑添加量為環(huán)氧丙烷質(zhì)量的2.0%,考察催化劑循環(huán)使用次數(shù)對催化性能的影響見表4,循環(huán)使用次數(shù)與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系曲線見圖4。
由表4和圖4可知,催化劑[AeMIM]Br/(ZnBr2)2-Si性能穩(wěn)定,可多次循環(huán)使用,循環(huán)使用次數(shù)達(dá)到9次時(shí),其轉(zhuǎn)化率和選擇性均在90%以上,這說明該催化劑穩(wěn)定性好,易分離,可多次循環(huán)使用。但圖4說明了隨著循環(huán)使用次數(shù)的增加,反應(yīng)時(shí)間被延長,循環(huán)使用13次時(shí),反應(yīng)時(shí)間從最初的28min延長至110min,所以轉(zhuǎn)化頻率會(huì)隨著循環(huán)使用次數(shù)的增加而下降。
表4 [AeMIM]Br/( ZnBr2)2-Si循環(huán)使用次數(shù)對催化性能的影響
圖4 催化劑循環(huán)使用次數(shù)與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系曲線
硅膠負(fù)載復(fù)合離子液體[AeMIM]Br/(ZnBr2)2-Si催化過程,首先[Zn2Br5]–進(jìn)攻環(huán)氧丙烷結(jié)構(gòu)中位阻較小的β碳原子,硅表面的羥基與氧絡(luò)合,促使開環(huán),形成活性中間體,然后CO2插入,再脫除催化劑,閉環(huán),形成碳酸丙烯酯。而負(fù)載的硅與離子液體具有強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)和基位隔離效應(yīng),一方面,硅羥基等基團(tuán)加強(qiáng)了催化體系的酸性,更容易誘導(dǎo)氫鍵和陽離子中心的形成,促使環(huán)氧丙烷開環(huán);另一方面,通過硅連接的離子液體長鏈結(jié)構(gòu),使催化劑穩(wěn)定性提高,避免或減少了活性功能基團(tuán)之間的相互作用,從而產(chǎn)生基位隔離效應(yīng),提高選擇性。
催化實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明功能化離子液體催化性能優(yōu)于烷基咪唑離子液體,其中帶有氨基功能基團(tuán)離子液體催化性能更好些,但單獨(dú)使用其催化性能仍不理想。助催化劑ZnBr2的加入顯著提高催化性能,因此離子液體復(fù)合催化體系[AeMIM]Br/(ZnBr2)2的催化效果最佳,但其固液混合相態(tài)在分離回收過程存在缺陷,因此將此催化體系與正硅酸乙酯通過溶膠凝膠方法進(jìn)行固載,成功得到了硅膠負(fù)載的復(fù)合離子液體催化劑[AeMIM]Br/( ZnBr2)2-Si,實(shí)現(xiàn)了相態(tài)轉(zhuǎn)變,且催化性能穩(wěn)定,可多次循環(huán)使用。當(dāng)正硅酸乙酯與離子液體復(fù)合催化體系的摩爾配比為1∶2,催化溫度為80℃,壓力為1.5MPa,催化劑用量占環(huán)氧丙烷質(zhì)量的2.0%時(shí),轉(zhuǎn)化率為96.9%,選擇性為94.8%,轉(zhuǎn)化頻率為3124h–1。
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Ionic liquids as catalysts for conversion of CO2to propylene carbonate
GUO Liying,DENG Lili,HU Weidong,JIN Xianchao,YIN Longzhu
(School of Petrochemical Engineering,Shenyang University of Technology,Liaoyang 111003,Liaoning,China)
Seven kinds of ionic liquids were used in the reaction of carbon dioxide and propylene oxide to synthesize propylene carbonate,and 1-bromide ethylamine-3-methyl imidazolium ionic liquid[AeMIM]Br showed the best catalytic performance. Then the catalytic properties of ionic liquid[AeMIM]Br mediated Lewis acid was investigated. After that,the optimal composite catalytic system[AeMIM]Br/(ZnBr2)2was reacted with the tetraethyl orthosilicate(TEOS)prepared ionic liquid catalyst supported on silica gel,which achieved the phase transition of the catalyst and was helpful to realize the catalytic progress in fixed bed reactor. The silica gel supported catalyst was applied to cycloaddition reaction with CO2in order to investigate its catalytic efficiency. The results showed that the structure characteristics of ionic liquids had great influence on the catalytic properties. For alkyl imidazole ionic liquids,the longer the side chain,the better the catalytic properties. The catalytic activities of functionalized ionic liquids were superior to alkyl imidazole ionic liquids,and thus the addition of Lewis acid ZnBr2to the catalytic system could improve the catalytic effect significantly. The best catalytic performance was obtained when the ratio of TEOS and [AeMIM]Br/(ZnBr2)2was 1∶2,giving rise to the conversion rate of 96.9%,selectivity of 94.8%,and the turnover frequency (TOF) of 3124h-1. The catalytic performance of this catalyst was stable and could be reused many times.
ionic liquids;catalysis;carbon dioxide
O632.32;O643.3
:A
:1000-6613(2017)09-3323-06
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0044
2017-01-09;修改稿日期:2017-03-21。
國家自然科學(xué)基金(21706163)、遼寧省科技廳自然科學(xué)基金 (201602537)及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃訓(xùn)練項(xiàng)目。
及聯(lián)系人:郭立穎(1981—),女,博士,碩士生導(dǎo)師,主要從事離子液體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備及其改性高分子材料或工業(yè)催化等方面的研究。E-mail:lyguo1981@163.com。