氧化石墨烯共价固载离子液的方法创新及其催化性能研究

Mesoporous molecular sieve immobilized ionic liquid have many drawbacks such as the poor hydrothermal stability, blockage of channel, mass transfer and the high cost of preparation, but these problems can be solved by immobilization of ionic liquid on graphene oxide(GO). In this project, the novel method for the covalent attachment of ionic liquid to graphene oxide surface is proposed. The research content include the ring-opening reaction of GO epoxy groups, the coupling reaction of GO with imidazole as well as the functional reaction of ionic liquid. On the other hand, catalytic synthesis of cyclic carbonates from carbon dioxide and epoxide using GO immobilized ionic liquid as catalyst will be investigated. The key problems for this project are how to increase the amount of immobilized ionic liquid on GO and prepare the functionalized ionic liquids. A new method for the covalent attachment of ionic liquid to graphene oxide surface will be established by investigating the mechanism of the ring-opening reaction of GO epoxy groups, the coupling reaction of GO with imidazole as well as the functional reaction of ionic liquid. The investigations in this project have an important scientific significance and promising applications.

以氧化石墨烯为载体共价固载离子液，可以解决以介孔分子筛等为载体固载离子液体过程所面临的水热稳定性差、堵塞孔道、传质以及制备成本高等诸多问题。本项目拟采用新的研究方法,将离子液体共价固载在氧化石墨烯上，即利用氧化石墨烯上丰富的环氧基团，研究其开环反应；研究氧化石墨烯与咪唑环的偶联反应和对咪唑环的功能化反应等，并对固载离子液体的氧化石墨烯催化剂催化二氧化碳与环氧化合物合成环氧碳酸酯的催化性能进行研究。通过本项目的研究，主要解决氧化石墨烯对离子液体的固载量和对离子液体进行功能化两个关键的科学问题，并且作为催化剂可以达到循环使用的目的。通过探索氧化石墨烯开环反应、偶联反应以及咪唑环的功能化反应的机理，为氧化石墨烯共价固载离子液建立新的方法，因此，具有重要的科学意义和应用前景。

与聚合物、介孔分子筛等传统的载体相比较，氧化石墨烯（GO）具有优异的结构刚性、良好的水热稳定性、优良的导热性、传质阻力小以及原料廉价等特点。因此，GO是非常理想的催化剂载体。.主要研究内容及重要结果：（1）GO嫁接离子液及其催化CO2无溶剂加成合成碳酸丙烯酯研究。制备了GO-[SmIm]X（X：氯、溴、碘）催化剂。在CO2环加成反应中，GO-[SmIm]I表现出良好的催化活性。（2）GO嫁接羟基功能化离子液体及其催化应用研究。在CO2环加成反应中，羟基功能化GO-HEIMBr催化表现出优异的催化活性。（3）乙二胺功能化GO固体碱的制备及其催化Knoevenagel反应研究。一步将乙二胺嫁接到GO片层上（GO-N）。GO-N催化剂对Knoevenagel反应表现出很高的催化活性。（4）水相GO嫁接离子液及其催化CO2环加成反应研究。在催化CO2环加成反应中，水相合成的GO-[SmIm]I催化活性明显高于相同数量的纯离子液。（5）碱性离子液体在水相固载在GO上用于酯交换反应研究。催化剂GO-[Smim]OH在催化EC与甲醇酯交换反应中，具有良好的催化活性。（6）双亲性GO固载杂多酸阴离子离子液作为双氧水选择性氧化醇有效的三相催化剂研究。制备了杂多酸阴离子的咪唑基离GO-Im-PW催化剂。在催化双氧水选择性氧化醇的反应中，在相同的反应条件，GO-Im-PW催化活性高于SBA-15-Im-PW。（7）GO固载吡啶基离子液及其作为相转移催化剂催化合成苄酯的研究。制备了三相相转移催化剂（GO-Py-X）。其中，GO-Py-I在催化卤化苄与羧酸盐合成苄酯的相转移反应中表现出优越的催化性能。.科学意义：（1）建立了GO固载不同功能化的离子液体的制备方法，探索了各催化剂对CO2环加成、醇的氧化等反应的催化机理。（2）探索了水相条件下GO嫁接离子液体，建立了GO嫁接离子液体绿色嫁接方法。（3）根据GO特有的双亲性能，制备了GO固载吡啶基离子液的三相相转移催化剂。这些创新性研究对氧化石墨烯的应用具有重要的理论指导作用。