新型固体-液体杂化CO2催化转化材料的制备及界面催化效应研究

Ionic liquid catalysis is an important method for the synthesis of cyclic carbonates from carbon dioxide and epoxy compounds. However, the homogeneous catalysis suffers from some intrinsic shortcomings, like difficulty in separation of the catalyst and product, mass transport, or large-scale production. And the traditional heterogenization method also often involves some problems, like low loading content or activity, complex process, high energy consumption. To this end, this application will prepare a novel solid-liquid hybrid material with ionic liquid catalyst and cocatalyst in the inner part of hydrophobic microcapsule reactor, forming an efficient catalyst possessing the advantages of both liquid and solid materials. Furthermore, the application will elaborate the underlying correlations among microcapsule surface properties, structures, species of ionic liquid or co-catalyst and catalytsis efficiency. Also, the application will attempt to build the intrinsic relations between catalytic activity and interface effects. This design aims to construct a novel platform to heterogenize ionic liquid catalyst, and realize green transformation of carbon dioxide.

利用CO2与环氧化合物环加成合成环状碳酸酯是资源化二氧化碳的有效途径之一，离子液催化剂是该类反应的常用催化剂。然而，均相离子液催化体系存在粘度和传质阻力较大及连续化操作困难等问题。而传统多相化方法也存在负载量低、过程繁琐、活性低及能耗大的问题。为此，申请拟将离子液催化剂及助催化剂包裹在微胶囊材料内，制备新型的固体-液体杂化CO2催化转化材料，以构建一个兼具液体和固体催化剂优点的新型催化体系。在此基础上，阐述催化剂表面性质、结构、离子液和助催化剂种类、反应条件等与催化效率之间相互关联的科学问题，并重点研究反应过程中存在的界面催化效应。从而构建可用于固定床连续化反应的高效多相催化剂，实现环状碳酸酯的绿色催化合成。

离子液体是一类常见的绿色反应介质或催化剂，可用于多种催化反应，如CO2与环氧化合物环加成合成环状碳酸酯、酶催化手性反应等。然而，均相离子液催化体系存在粘度和传质阻力较大及连续化操作困难等问题。而传统多相化方法也存在负载量低、过程繁琐、活性低及能耗大的问题。围绕这些问题的解决，本项目通过制备新型固体-液体杂化催化材料，将离子液介质、催化剂及助催化剂限域在微纳空间内，努力构建一个兼具液体和固体催化剂优点的新型催化体系。主要取得以下研究成果：1. 通过Pickering乳液模板，结合表面溶胶-凝胶过程，首次制备了结构可控（尺寸、壳层厚度等）的离子液体核@氧化硅壳的固体液体杂化材料，将分子催化剂等活性单元限域到该固体-液体杂化材料中，在保持催化单元均相环境的同时（高活性）赋予其多相连续化的优势（液相反应稳定1500 h），同时，关联了材料结构参数与催化性能间的构效关系。2. 通过油水界面生长微孔MOFs固体壳层，制备了界面渗透性可控的固体-液体杂化催化剂，并在液-液反应中达到了良好的“择形”催化效果。3. 为将该类材料拓展于气固床反应体系，也通过控制制备条件，实现了高机械强度材料的制备；为调控活性，也制备了不同内部空间结构的复合材料；同时，为了解决离子液体流失等问题，结合自由基聚合的方法，形成了聚合物@氧化硅的复合催化剂，在手性加氢及CO2催化转化等反应中得到了较好的催化效果。通过该项目的实施，申请人以第一和通讯作者共发表SCI论文7篇，包括JACS 1篇、ACS Catal. 1篇、Chem.Commun. 1篇、 Catal. Sci. Technol. 1篇、Carbon 1篇、Chin. J. Catal. 1篇、New J. Chem. 1篇。