催化剂材料在环境保护中的应用ppt

概述

固体酸催化剂

纳米材料催化剂

手性催化剂

生物催化剂

离子液体

无机有机复合材料

一、概述

二、固体酸催化剂

固体酸：一般来说，就是指能使指示剂变色的固体。严格地说，是指能给出质子（B酸）或能接受孤电子对（L酸）的固体。

催化功能来源于固体表面上存在的具有催化活性的酸性部位，称酸中心。它们多数为非过渡元素的氧化物或混合氧化物，其催化性能不同于含过渡元素的氧化物催化剂。这类催化剂广泛应用于离子型机理的催化反应，种类很多。

固体酸催化剂的性质

  与固体酸的催化行为有重要关系的性质是酸中心、酸强度和酸度。

①表面上的酸中心可分为B-酸与L-酸，有时还同时存在碱中心。可用下式示意地表示氧化铝表面上的酸中心的生成：

②酸强度，可用哈梅特酸强度函数H0来表示固体酸的酸强度，其值愈小，表示酸强度越高。

③酸度，用单位重量或单位表面积上酸中心的数目或毫摩尔数来表示，又称酸度。

固体酸的类型

1、固载化液体酸

       此类催化剂的优点是催化效率高，但反应后液体酸催化剂分离困难，副产物也比较多；将其固载后使用，一定程度上解决了催化剂的分离问题，但反应过程中活性组分会不断流失，催化剂使用寿命短。此外，严重的腐蚀问题也难以解决。

3 硫化物

           最近20年来，以硫离子合成微孔结构非氧化合物的研究工作逐渐开展起来，这类化合物的特殊结构导致其奇特的物理、化学性能，如超导、非线性光学及催化性能，逐渐成为固体化学一个十分活跃的研究领域。微孔复合金属硫族化合物在催化、离子交换等方面具有应用价值，而且因其独特的光电性能，在半导体、光电导体、非线性光学等方面具有应用前景，因此成为十分活跃的研究领域。

5 沸石固体酸

        沸石固体酸是工业催化剂的重要种类，具有高的酸强度和催化活性.

8 粘土矿

        荣峻峰等采用高比表面积、高孔隙率的凹凸棒石粘土微球作为载体，制备了高效球形催化剂，并研究了其乙烯聚合反应，得到了比较好的结果。

9 固体酸超强酸

          SO42- ／MX OY型固体超强酸是一种经典的固体酸，它是以某些金属氧化物(MX OY)为载体，以SO42-为负载物的固体催化剂。

SO42- ／MX OY型固体超强酸具有以下优点：

① 对水稳定性很好，如SO42- - ／ZrO2在空气中长时间放置后，只需加热1小时将表面吸附的水除去即可恢复活性。

② 其表面吸附的SO42- -与载体表面结合很稳定，即使水洗也不易除去。

③ 能在高温下使用。

④其腐蚀性很小。

             由于SO42- ／MX OY型固体超强酸的上述优点，其在酯合成上的应用研究也是广泛而深入。

利用固体酸催化的生产过程

 传统酸催化剂和固体酸催化剂比较

发展方向

弄清超强酸性和催化活性产生的机理和规律从理论上指导合成和制备各种高性能的固体酸催化剂，在应用研究上则根据工业化生产的要求提高使用寿命和拓展使用范围。

很多固体酸在实验过程中容易失活，因此需制备一种稳定性能高的固体酸。

从催化剂的源头出发，研究其合成规律，并开发出一种具有普遍酸催化作用的催化剂，扩大固体酸催化剂的应用机会。

三、纳米材料催化剂

四、手性催化剂

金属络合手性催化剂

高分子手性催化剂

金属络合手性催化剂

优点：

1、反应收率高

2、适用范围广

3、可负载于高聚物载体上，方便回收利用

手性配体应具备的条件：

1、手性中心形成时，配体易于金属离子配合，不形成溶剂效应。

2、催化剂活性不因引入配体而降低

3、配体易修饰，可合成多用途产物

常用手性配体：

  手性磷化物、胺类、醇类、酰胺类、羟基氨基酸类、二肟类、亚砜类、环戊二烯类和冠醚类等

反应示例

催化不对称加氢反应

催化不对称环丙烷化反应

催化不对称氧化反应

催化不对称碳碳键形成反应

催化Diels-Alder反应

催化不对称加氢反应

 以金属络合物为手性催化剂的不对称加氢反应是已取得良好成果的领域，最引人注目的是在Rh / 膦络合物催化条件下， 从a –酰基氨基丙烯酸出发合成光学活性氨基酸。　　

目前，某些Rh/膦络合物催化剂已用于合成酪氨酸、色氨酸、亮氨酸等多种氨基酸， 有的还用于合成脱水二肤。

在手性Cu 、Co、Rh催化剂作用下，烯烃与重氮醋酸酚反应脱氮可得到手性环丙烷类化合物。它是一些天然产物的基本结构，大多数拟除虫菊酷都有此类结构。应用手性铜催剂(S)- 7644 催化下进行分子内的卡宾不对称加成环化，简便易行地得到高光学收率的双环内酯。

手性 Schiff 碱金属络合物

催化剂是不对称环丙烷化

反应中最早也是研究最为

广泛的一类催化剂。 目前，

主要从两个方面对手性Schiff 

碱金属催化剂进行结构改造: 

(1)水杨醛上引入取代基; (2)手性胺的选择。

其他催化反应类型

手性金属络合物催化剂反应收率较高，只要保证高的立体选择性， 就能获得理想的催化剂。

且金属能催化的反应较多， 将不同的金属与配体相互组合， 可得到种类繁多的络合物催化剂， 适用范围广。

金属络合催化剂在不影响催化能力的前提下， 可固定于高聚物载体上， 为其回收和利用提供了方便。 

手性金属络合物催化剂还可用于不对称Baeyer-Villiger反应、烯烃的异构化反应、氢硅化反应、不对称环氧化反应[1，3，5，6]、催化C， N- 二苯基硝酮环加成反应，部分金属如Al、Ti 等还以L 碱的形式催化Diels -Alder反应、氢氰化反应等中。

此外金属配合物作为DNA 结构和构象的探针一直以来也是比较活跃的研究领域。

高分子手性催化剂

高分子手性催化剂是把手性配体通过共价键嫁接到作为载体的高分子上，与中心原子或离子络合形成的手性催化剂。

兼具有均相和多相催化剂的优点。

不腐蚀设备，容易从产品中分离与回收

缺点是对温度、介质较敏感，稳定性差

高分子金属络合物催化剂的分类

非交联的高分子金属络合物在催化反应体系中往往溶解而成均相，称为均相高分子金属络合物催化剂。

交联的高分子金属络合物在催化反应体系中只溶胀而不溶解，往往以固相存在，故称为非均相或多相高分子金属络合物催化剂。

五、生物催化剂

生物催化的优点：

1、反应条件温和，PH值一般为4~9，温度10℃~60℃

2、高效

3、立体选择性

4、专一性

5、环境友好

6、操作安全易控制和可取代强碱等化学品。

生物催化剂的固定化

生物催化剂固定化技术就是通过化学或物理的方法将生物催化剂约束在特定的空间范围内，使其保持一定的催化性能并可被连续重复使用。

新型固定化技术：膜固定法；凝胶-凝胶固定法；超微载体固定法；絮凝吸附固定法；偶合固定法和联合固定法等

生物催化剂发展前景

       生物催化剂，即工业制剂，该类产品的研制及生产，是一次科技含量很高的生物工程产业。进入90年代以来，毒副作用小、生物利用度高的手性药物(光学纯药物)发展速度极其迅速，市场年销售额已超过百亿美元。与此同时，生产手性药物必不可少的生物催化剂生产也迅速崛起，成为一项充满活力的新兴高科技产业。在市场需求的推动下，品种繁多的新型生物催化剂品种应运而生。其中，氨转移酶、亮氨酸脱氢酶、青霉素酰化酶、磷脂酶、氨化酶、氨多肽酶、固定化大肠杆菌、氧化脱卤素酶、乙酰脲酶、蛋白酶、热解酶等新型生物催化剂，已投入工业化批量生产并大量用于生产从抗生素到氨基酸、手性胺等一系列重要原料药产品。 

生物催化剂在化工中的应用

微生物法生产丙烯酰胺

生物石油技术

在染整加工中的应用

六、离子液体

离子液体的定义与发现

离子液体的组成和结构

离子液体的性质与制备

离子液体在催化中的应用

国内外的研究状况

离子液体应用还存在的问题

离子液体的定义与发现

离子液体是一类在室温或室温附近温度下呈液体的由离子构成的物质，又称为室温离子液体（ room temperature ionic liquid)、室温熔融盐（room temperature molten salts).

离子液体的组成和结构

阳离子

  烷基季铵离子[NRxH4-x]+， 烷基季鏻离子[ PRxH4 -x ]+，

   1，3-二烷基取代咪唑离子[R1R2im]， N-烷基取代的吡

  啶离子[Rpy] +。

阴离子

   AlCl4-，BF4-，SbF6-，CuCl2-，CF3SO3-，Al2Cl7-

离子液体的性质与制备

(1)液态温度区间大，可达800℃，[bmim][BF4]，

   液态区间是-71℃~256℃（水是100℃，氨只有44℃）。这使得较大程度动力学上的控制成为可能。由于熔点在室温附近还避免了分解、歧化等副反应。

(2)溶解范围广，可溶解许多无机、有机、有机金属、高分子材料。非常惊人的是，离子液体居然可以溶解由共价键结合的化合物，且溶解度大。

(3) 没有显著的蒸气压，可用于高真空体系。

(4) 稳定，不易燃，可传热，可流动。

(5)离子液体表现出Bronsted、Lewis酸性和超酸性，且酸性可调。

(6)离子液体可提供高极性不配位的环境。

离子液体的制备

复分解方法

                                                                 甲醇中

（丙酮中，要求在干燥的Ar气氛中操作）

酸碱中和法

离子液体在催化中的应用

绿色高效溶剂或催化剂

应用：

     –烯烃二聚、

     –双烯加氢叠合、

     –烯烃歧化、

     –烷基化、

     –Diels-Alder反应、

     –氢甲酰化反应

     –Heck反应

国内外的研究状况

1999年4月20日， Belfast Queen’s University成立离子液体研究中心，得到BP Amoco， Chevon， Du Pont， Exxon， UOP等十七家国际著名的石油化工公司的资助

北大西洋工约组织于2000年在希腊克里特岛召开有关离子液体的专家会议

欧洲委员会有一个离子液体的三年计划，有英国、德国、荷兰等国的大学、研究机构和公司参加，计划建立三个中试实验厂。

日本、韩国也正在大力研究开发

离子液体应用还存在的问题

价格

使用过程中的活性

产品分离难易程度

热量传递和物质传递问题

循环和重复使用次数

工业放大问题

安全性问题

七、有机/无机复合材料

定义

有机、无机复合材料的特点

有机/无机复合材料的分类

有机/无机复合材料应用前景

复合材料是指结合两种或两种以上不同有机、无机相的物质以物理方式结合而成，撷取各组成成分的优点，以构成需要之结构材。往往以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

复合后的新材料具有有机、无机材料的各自优点，并且可以在力学、光学、热学、电磁学和生物学等方面赋予材料许多优异的性能，正在成为材料科学研究的热点之一。

有机、无机复合材料的特点

复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。

     例如：碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。

纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。

     例如：以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。

有机/无机复合材料的分类

有催化作用

    – 酸催化材料

  – 负载络合金属催化材料

无催化作用

    – 光学材料

  – 电子材料

  – 磁性材料

  – 机械材料

  – 生物材料

有机/无机复合材料应用前景

复合材料作为最新发展起来的一大类新型材料，对科学技术的发展产生了极大的推动作用。对航空航天事业的影响尤为显著。复合材料的发展近几十年来极为迅速。从最早出现的宏观复合材料，如水泥与砂石、钢筋复合而成的混凝土，到随后发展起来的微观复合材料：聚合物基、金属基和无机非金属材料基复合材料。

      有机一无机复合材料作为一种新型材料，在力学、光学、电学、磁学、热学、航天宇航和生物仿生等领域表现出广泛的应用前景，需要人们对其结构与性能的关系作更深入的研究和了解。