“Sandwich-Janus"耦合结构纳米复合膜对苯甲醇的催化氧化

Benzaldehyde is widely used in pharmaceutical, perfumery industries. Benzaldehyde can be synthesized by benzene methanol oxidation reaction. However, this method exists key drawbacks of low production rate and poor selectivity, which greatly limit the widely used in perfumery and medical field. This project plans to construct and prepare one kind of “Sandwich-Janus" structured nanocomposite membrane to accelerate the liquid phase oxidation rate at benzene methanol-hydrogen peroxide interface and enhance the yield of and selectivity to benzaldehyde. The Sandwich structured nanocomposite membrane is composed by amphiphilic core and hydrophilic/hydrophobic shell. The properties of the nanocomposite membrane shell are opposite. One side is hydrophobic and the other side is hydrophilic, which is called Janus membrane. The highly active and selective metal nanocatalysts are loaded in the amphiphilic core of nanocomposite membrane. The benzene methanol and hydrogen peroxide can permeate to amphiphilic district through hydrophobic and hydrophilic surface respectively and then they would quickly react in the pores of nanocomposite membrane and the product benzaldehyde also can be selectively transported to the hydrophobic surface, allowing the increasing of reaction rate and selectivity at the same time. This method may provide a new route and idea for industrial upgrading of green preparation of benzaldehyde and a new theoretical and practical basis of Liquid-Liquid interface reaction.

无氯苯甲醛在医药、香料等行业广泛使用，可通过苯甲醇氧化法绿色制备，但目前存在产率低和选择性差等缺陷。本项目拟设计和制备一种“Sandwich-Janus"耦合结构纳米复合膜对苯甲醇进行催化氧化以克服上述缺陷。纳米复合膜由中间负载纳米金属催化剂的双亲性芯层和一个强亲水层一个强亲油层组成，同时具有“Sandwich”结构与“Janus”膜结构性能特性。反应时，有机相苯甲醇和水相双氧水快速渗透到双亲性中间芯层，通过调控中间芯层组成和微结构，可以构建大量负载金属粒子的表面和油-水界面，提高苯甲醇和双氧水反应速率。反应完成后，生成的亲油性苯甲醛可及时通过中间芯层回到油相，与双氧水自动分离，避免进一步被氧化，从而提高生成苯甲醛的选择性。本研究为苯甲醛绿色制备产业化升级提供新的思路，同时为液-液界面反应提供新的理论和实践基础，具有重要意义。

无氯苯甲醛在医药、香料等行业广泛使用，可通过苯甲醇氧化法绿色制备，但目前存在产率低和选择性差等缺点。本项目设计和制备了一种“Sandwich-Janus"耦合结构纳米复合膜对苯甲醇进行催化氧化以克服上述不足。纳米复合膜由中间负载纳米金属催化剂的双亲性芯层和一个强亲水层一个强亲油层组成，同时具有“Sandwich”结构与“Janus”膜结构性能特征。反应时，有机相苯甲醇和水相双氧水通过对应的亲疏水层快速渗透到双亲性中间芯层，通过调控中间芯层组成和微结构，可以构建大量催化活性表面和油-水界面，提高反应速率。反应完成后，生成的亲油性苯甲醛可及时通过中间芯层回到油相，与双氧水自动分离，避免进一步被氧化，从而提高生成苯甲醛的选择性。课题具体研究了（1）纳米复合膜亲水壳层、亲油壳层以及中间芯层的制备和结构调控方法；（2）纳米复合膜组成、结构、催化剂含量和尺寸等因素对膜催化氧化性能的影响；（3）膜朝向、反应液体流速与浓度等反应参数对催化性能的影响；（4）纳米复合膜催化下的界面氧化反应动力学并提出复合膜催化氧化苯甲醇制备苯甲醛的反应机理。研究结果表明增大纳米催化剂负载量、提高料液流速、升高温度等都有利于催化氧化反应的进行。当膜两侧涂层中致孔剂含量为5%，以30%H2O2作为氧化剂，反应温度为90 ℃、料液流速为82.5 mL/min，催化剂负载量为30.213 mg/g时复合膜的催化活性最高，苯甲醇的转化率为30.25%、苯甲醛的选择性为80.04%。Sandwich-Janus 耦合结构纳米复合膜可以有效防止负载的Pd纳米粒子流失，防止氧化剂和催化剂直接接触导致的氧化剂快速分解，能够阻止反应体系中有机相和水相的混合渗漏，避免催化反应后有机相和水相的分离过程，降低苯甲醛制备成本，为苯甲醛绿色制备产业化升级提供新思路，也为液-液界面反应提供新的理论和实践基础。项目资助发表SCI论文7篇，待发表论文2篇。培养硕士研究生7名（3名已取得学位，4名在读），本科生5名。