摘 要

二氧化碳是主要的温室气体，对全球气候的影响有着至关重要的作用，减少二氧化碳的排放和降低大气中二氧化碳的含量对全球气候的稳定有着重大意义，因此国内外许多科学家和学者都在积极寻找经济高效的减少二氧化碳的方法。二氧化碳和环氧化物环加成转化成环状碳酸酯反应的原子转化率为100%，产物环状碳酸酯在众多领域都有用途，具有较高的附加值，目前已工业化。但是存在反应条件高，产物不易分离等一系列问题，因此本课题研究目的就是设计出一种能够在温和条件下对二氧化碳催化转化具有高效催化性能的非均相催化剂。本文对MOF-253（Al-bpydc）进行设计，通过引入路易斯酸催化活性位点合成兼具酸碱催化活性位点的非均相催化剂Cu-Al-bpydc。该催化剂比较稳定，在60、1Mpa条件下，对环氧丙烷等环氧化物和二氧化碳的催化转化反应具有良好的催化性能，

Cu催化活性位点的密度对催化效果具有一定的影响。

关键词：酸碱催化活性位点；二氧化碳；催化转化；环状碳酸酯

Abstract

Carbondioxide is a major green house gas and plays a crucial role in the global climate,reduce carbondioxide emissions and lower the content of carbondioxide in the atmosphere has great significance to the stability of the global climate, therefore, many scientists and scholars at home and abroad are actively looking for economic and efficient way to reduce carbondioxide. The atomic conversion of carbondioxide and epoxide cycloaddition to cyclocarbonate is 100%, cyclic carbonate are used in many areas and has a high added value, this reaction has been industrialized. In this paper, MOF-253(Al-bpydc) was designed to synthesize Cu-Al-bpydc heterogeneous catalysts with both acid-base catalytic activity sites by introducing Lewis acid catalytic activity sites. The catalyst is stable and has good catalytic performance for the catalytic conversion of propylene oxideand carbondioxide at 60°C and 1Mpa. The density of Cu catalytically active sites has a influence on the catalytic effect.

KeyWords:Acid-base catalytically active sites；Carbondioxide；Catalyze and conversion；Cyclic carbonate

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2二氧化碳转化 2

1.2.1二氧化碳转化研究现状 2

1.2.2二氧化碳转化为环状碳酸酯 2

1.3催化体系 3

1.4课题研究内容及意义 4

第二章 实验材料及表征手段 6

2.1.实验材料及设备 6

2.2.本课题MOF材料的表征 8

2.2.1多晶X射线衍射（PXRD） 8

2.2.2 N₂等温吸附-脱附 8

2.2.3XPS分析 8

2.2.4 ICP元素分析 8

2.2.5扫描电子显微镜分析（SEM） 8

2.2.6 FTIR分析 8

2.2.7气相色谱分析（GC） 8

第三章 MOF材料的合成及表征 10

3.1.MOF材料的合成 10

3.1.1MOF-253（Al-bpydc）的合成 10

3.1.2金属Cu的担载 10

3.1.2.1 Al-bpydc@0.1Cu(NO₃)₂的合成 10

3.1.2.2 Al-bpydc@0.1CuSO₄的合成 10

3.1.2.3Al-bpydc@0.1Cu(BF₄)₂的合成 11

3.1.2.4 Al-bpydc@0.1C₁₀H₁₄CuO₄的合成 11

3.1.2.5 Al-bpydc@0.3Cu(BF₄)₂的合成 11

3.1.2.6 Al-bpydc@0.5Cu(BF₄)₂的合成 11

3.2 MOF-253系列材料的表征 12

3.2.1. MOF-253系列材料的XRD的表征分析 12

3.2.2 MOF-253系列材料的N₂等温吸附-脱附表征分析 13

3.2.3XPS表征分析 15

3.2.4 ICP元素分析 16

3.2.5 SEM表征分析 17

3.2.6 FTIR表征分析 18

3.3本章小结 18

第四章 催化实验及催化性能评价 19

4.1反应条件的选择和确定 19

4.1.1催化反应的方案设计 19

4.1.2二氧化碳催化转化反应体系压力的探究 19

4.2含最佳铜源Cu(BF₄)₂的MOF材料的催化性能探究 20

4.2.1不同Cu担载量对二氧化碳催化转化的影响 20

4.2.2 7.89w%Cu-Al-bpydc催化性能的探究 21

4.3二氧化碳转化反应机理 23

4.4本章小结 24

第五章 结论 25

致 谢 26

参考文献 27

第一章 绪论

1.1研究背景

在过去的几十年中，全球的经济和技术有了非常巨大的发展，但是随之而来的是日益严重的环境问题。由于人口的增长、工业的发展以及煤炭石油天然气等化石燃料的大量燃烧产生的二氧化碳大大多于以前的排放量，并且森林面积的减少以及地表水域面积的减少影响的大气中二氧化碳的循环，使得大气中的二氧化碳逐年积累，造成温室效应。这会造成海水酸化、海平面上升、气候反常（厄瓜多尔等）、沙漠化面积增大、释放远古病毒、加剧传染病流行等，对人类的生活生产甚至生存有巨大的威胁[^[1]]。因此减少二氧化碳的排放和大气中二氧化碳的含量是非常重要的，所以发展切实可行的二氧化碳封装和隔离技术（CCS）以减少大气中二氧化碳的含量是必要的。由于二氧化碳是一种经济、易得、可再生、无毒的C1来源，所以有一种极具吸引力的想法就是将为二氧化碳转化成具有高附加值的化学品，比如碳酸二甲酯、环状碳酸酯、甲酸等化学品[[^[2]]]，比如环状碳酸酯可用于油性溶剂、纺丝溶剂、烯烃、芳烃萃取剂、二氧化碳吸收剂、水溶性染料及颜料的分散剂等。这不仅可以减少大气中二氧化碳的含量，缓解温室效应带给环境的影响，而且可以额外得到具有经济价值的化学品。但是由于二氧化碳本身的特性，能垒高，反应活性低，工业上应用的醇胺水溶液捕集法具有能耗高、易腐蚀、低效率的缺点。所以这就需要寻找高效稳定的催化剂用以二氧化碳的固定和转化，在国内外有众多学者热衷于该方面的研究，目前在功能纳米材料方面的研究已经开展了很多工作，比如活性炭、沸石、金属有机骨架材料（MOFs）、多孔有机高分子等材料已经在二氧化碳的固定方面有所应用[^[3]]。

从近年来国内外的相关研究工作中可以发现，二氧化碳和环氧化物环加成反应转化生成环状碳酸酯是非常有前景的，该反应不仅符合绿色化学的要求，选择性高，而且可以得到具有高附加值的产物环状碳酸酯，在医药、涂料等领域有着广泛的应用，避免了使用光气、一氧化碳等有毒气体[^[4]]。配合具有高吸附性、高催化活性、高选择性的非均相催化剂，可以减少产物分离成本、提高产物产量和二氧化碳消耗量。