硝酸根插层铜铝类水滑石的可控制备及其催化应用

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类水滑石(LDHs)作为一种阴离子层状材料,具有独特的结构和性质,在催化领域表现出良好的应用前景。铜铝类水滑石(CuAl-LDHs)作为类水滑石材料中的重要成员,因含有备优异催化活性的铜元素而使其在催化应用领域受到广泛关注,因此CuAl-LDHs的可控合成及其应用基础研究一直属于研究热点。然而,现阶段对于CuAl-LDHs的合成研究主要围绕着碳酸根插层铜铝类水滑石(CuAl-CO3-LDH)来进行,鉴于铜离子的姜-泰勒效应,导致在较高pH体系下合成出的CuAl-CO3-LDH存在晶体结晶度差、产品纯度低、层间阴离子交换困难等缺点,在一定程度上限制了其应用。本文基于研究现状的局限性,以Cu(NO3)2·3H2O、Al(NO3)3·9H2O为原料,分别选用六次亚甲基四胺和尿素作为沉淀剂,采用水热合成法,通过调控反应条件成功合成出硝酸根插层的铜铝类水滑石(CuAl-NO3-LDH),同时借助于多种表征手段详细讨论了沉淀剂浓度、水热温度、水热时间、Cu2+/Al3+对CuAl-NO3-LDH合成的影响,并将具备优良结构性能的纯相CuAl-NO3-LDH应用于一步法高效催化苯甲醛与乙醇合成安息香乙醚的反应中,取得了较好的催化效果。合成实验结果表明:在沉淀剂浓度、温度及时间控制不适宜时,通常很难合成CuAl-NO3-LDH,即使能够合成出CuAl-NO3-LDH,样品也会含有一定量碱式硝酸铜、氧化亚铜或碱式碳酸铜等杂相;成功制备出纯相CuAl-NO3-LDH的适宜条件为Cu2+/Al3+=2~4、c(HMT)=0.1mol/L或c(Urea)=0.2~0.3mol/L.水热温度110℃、水热时间12h。催化实验结果表明:与碱式碳酸铜、含杂相的CuAl-NO3-LDH相比,纯相CuAl-NO3-LDH具有更优异的催化效果;将n(Cu2+)/n(Al3+)=2, c(Urea)=0.2mol/L,110℃水热反应12h条件下制备的纯相CuAl-NO3-LDH作为催化剂,在催化剂用量0.2g,V(苯甲醛):V(乙醇)=3:40,70℃下反应70min时,苯甲醛的平衡转化率高达65.83%,安息香乙醚的选择性接近100%;并基于催化结果的解析进一步推断了可能的反应历程。
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