高分子材料专业组合实验教学探索与实践

设计了2组高分子材料组合实验：石墨型氮化碳/聚苯胺（g-C3N4/PANI）复合催化剂的制备及其催化性能研究和孔状g-C3N4/PANI复合催化剂的制备及其催化性能研究。在学生查阅文献及了解实验原理后,确定实验方案,即首先通过直接加热双氰胺制备g-C3N4（或孔状g-C3N4）,然后通过界面聚合法制备复合催化剂。在对所得材料进行结构表征基础上,研究其催化性能及影响因素。该实验集仪器分析、高分子材料制备与高分子物理性能分析于一体,不仅能够全面提高学生综合实验能力,而且能够串联学科间知识点,为培养全面型人才提供支撑。     

焙烧温度对SO42-改性锆交联粘土固体酸结构与催化活性的影响

用聚羟基锆离子交换Na基膨润土中的水合钠离子,再引入SO4^2-,在不同温度焙烧制备了锆交联粘土固体酸催化剂,利用XRD,IR,DTA等手段,对该催化剂的结构进行了分析测试,并以柠檬酸和正丁醇酯化反应为探针,考察了焙烧温度对其结构与催化活性的影响。实验结果表明,焙烧温度为500℃时,SO4^2-与锆氧化柱形成了具有超强酸性的结构,催化剂活性较佳,能使柠檬酸酯化反应转化率达96．6％,反应酯化率达95．72％。     

磁性纳米固体酸催化剂Zr(SO4)2/Fe3O4的制备及催化性能研究

本文提出将磁性和固体酸进行组装从而合成磁性纳米固体酸催化剂的思路,首先制备了纳米级磁性前体－磁基体（Fe3O4);然后筛选出超声波法制备了不同配比的磁性纳米固体酸催化剂Zr(SO4)2/Fe3O4,对其进行了初步表征。并将其作为乙酸丁酯合成反应的催化剂,酯化转化率最高达到84％,利用其磁性即可将催化剂进行分离。     

固体酸催化合成蓖麻基癸二酸二辛酯的研究

以蠕虫(Worm-like)状介孔材料为载体,采用浸渍的方法将磷钨酸负载到介孔载体上制备不同磷钨酸负载量的固体酸催化剂.通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)和N2吸附-脱附等表征手段对其物理化学性质进行分析,结果表明磷钨酸成功地负载于Wormlike介孔材料上.将一系列负载型磷钨酸催化剂用于癸二酸二辛酯的合成反应中,考察其酸催化活性,并对磷钨酸负载量、癸二酸和异辛醇物质的量比、反应温度以及反应时间等因素对酯化率的影响进行了研究.实验结果表明:当反应控制温度在120℃、癸二酸与异辛醇物质的量比为1∶3、反应时间为3h、磷钨酸负载量为50%时,反应酯化率可达98.2%.     

磁性纳米固体酸催化剂Zr(SO_4)_2/Fe_3O_4的制备及催化性能研究

本文提出将磁性和固体酸进行组装从而合成磁性纳米固体酸催化剂的思路,首先制备了纳米级磁性前体一磁基体（Ｆｅ３Ｏ４）;然后筛选出超声波法制备了不同配比的磁性纳米固体酸催化剂Ｚｒ（ＳＯ４）２／Ｆｅ３Ｏ４,对其进行了初步表征。并将其作为乙酸丁酯合成反应的催化剂,酯化转化率最高达到８４％,利用其磁性即可将催化剂进行分离。     

磺化苯膦酸锆的制备及其催化酯化反应研究

以苯和三氯化磷等小分子化合物为原料,合成制备了固体酸催化剂磺化苯膦酸锆,用红外光谱、Ｘ－射线衍射方法对其结构表征,并研究其在酯化应中的催化活性。实验结果表明：磺化苯膦酸锆是一种具有层状结构的活性较高的固体酸催化剂,乙酸丁酯,氯乙酸丁酯反应温度控制在１１０～１２０℃,产物收率在８０％以上,催化剂重复使用多次后用稀酸浸泡可恢复活性。     

Ce-Zr-Ba-O纳米材料的制备及其结构与性能研究

以金属硝酸盐为原料,分别采用高分子前驱体法、柠檬酸盐凝胶法制备了纳米级的Ce-Zr-Ba-O复合氧化物超细粒子,采用X-射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、BET比表面测定、热重-差热(TG-DTA)技术对催化剂进行了表征,并考察了催化剂的CO氧化活性和热稳定性。实验结果表明,高分子前驱体法和柠檬酸盐凝胶法制备的催化剂粉体都达到了纳米级。两种方法中,高分子前驱体法所制得的催化剂的BET比表面达118.96m²·g^-1,CO氧化反应活性较高,同时该方法制得的催化剂分散性好,无团聚,经1000℃高温焙烧后仍基本无烧结、无团聚现象,具有较高的热稳定性。     

固体超强酸催化剂Ni/SO42-SnO2的制备与表征

引入镍离子制备出新型固体超强酸Ni/SO42--SnO2,利用FT-IR、XRD、XPS、TG-DTA等测试手段对催化剂结构进行表征.FT-IR谱图显示,催化剂表面的硫酸根与金属以螯合双齿和桥式配位结合,形成了超强酸结构;XRD结果表明,样品表面主要显现出二氧化锡的四方晶型结构的二氧化锡,随着活化温度的提高,晶体结构渐趋完整,结合FT-IR结果表明可知,在973K,700℃时样品表面结合硫酸根已基本分解完毕;XPS结果表明,样品表面S仅存最高价态(+6),这是超强酸具有高的催化活性的首要条件;TG-DTA测得镍的引入有利于催化剂的热稳定性提高,可以较好地获得SO42-组份,使其高温分解流失趋势变得更缓和.以乙酸正丁酯的酯化反应为模型反应,通过正交实验和单因素实验得到Ni/SO42--SnO2的最佳制备条件,粗产品经GC-MS分析,乙酸正丁酯的含量为90.26%,实验结果表明引入一定浓度的镍离子能提高固体超强酸酯化活性.     

固体酸催化合成乙酸正丁酯——推荐一个绿色化学实验

以自制固体酸Zr(SO4)2/SiO2代替浓硫酸为催化剂改进乙酸正丁酯合成实验;通过吸附吡啶的红外光谱图FT-IR表征固体酸的酸类型;采用KOH标准溶液滴定反应混合物的酸值测定反应的酯化率。结果表明,固体酸Zr(SO4)2/SiO2为Brönsted酸,其制备简单,催化合成乙酸正丁酯的酯化率高达99%,反应后处理简便,无废液排放,催化剂可重复使用;改进型实验符合绿色化学要求,并涉及无机、有机、分析及物理化学的相关内容,具有显著的综合性化学实验特征。     

直接甲醇燃料电池催化剂的制备与表征综合化学实验

将学科前沿领域的科研成果转化为研究型综合实验，结合新清洁能源发展介绍了直接甲醇燃料电池催化剂的制备与表征。采用液相还原取代法制备铂纳米管，通过XRD、TEM、XPS对材料进行形貌和结构表征，并以氢氧化钾溶液为电解质测试铂纳米管催化剂的电化学性能。通过开设该实验，不仅让学生了解直接甲醇燃料电池关键催化剂制备的实验原理、合成方法及数据分析，还可以更好地锻炼学生综合实验的操作技能，在培养研究兴趣的同时提升创新思维和创新能力。     

催化精馏专用填料型固体酸SO42-/ZrO2-Al2O3-Al的研究

为了研制催化精馏专用催化剂,采用铝阳极氧化法制备了Al2O3-Al一体型载体,并将活性固体超强酸SO42-/ZrO2引入到Al2O3-Al上,得到一种新型催化精馏专用填料式固体酸SO42-/ZrO2-Al2O3-Al催化剂.利用XRD、 SEM、 BET、 XPS、 NH3-TPD等手段对其进行了表征.结果表明,所制得的阳极氧化铝膜厚为56 μm, SO42-/ZrO2-Al2O3-Al固体酸具有比表面积大、酸强度适中的特点.XRD结果表明, ZrO2在Al2O3-Al上处于高度分散状态.将该固体酸用于乙酸/乙醇酯化反应中,显示出较高的催化活性,且稳定性较好.     

ZnMn2O4纳米催化剂制备及催化合成乙酸正丁酯

本文以共沉淀法制备了四方晶系锌锰复合氧化物ZnMn2O4纳米催化剂。采用X射线粉末衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)测试技术对样品进行了分析表征,结果表明所合成的催化剂为粒径均匀的纳米粒子,平均粒径在20-50 nm,具有较好的分散性。实验考察了所制备的ZnMn2O4纳米催化剂对乙酸和正丁醇酯化反应的催化活性,表明ZnMn2O4对乙酸正丁酯的合成有较高的催化活性;探讨了催化剂焙烧温度、催化剂用量、酸醇摩尔比以及反应时间对酯化率的影响,确定了适宜的酯化反应条件,以焙烧温度为300 ℃制备的ZnMn2O4为催化剂,在催化剂用量为0.3%(以反应物总质量计)、酸醇摩尔比n(酸):n(醇)=1.8:1、反应时间为4 h、酯化反应温度120 ℃的条件下,酯化率可达92.53%。     

磁性纳米固体酸SO42--TiO2-Fe3O4催化剂的合成、表征及催化性能的研究

首先研究制备了Fe3O4和SO42--TiO2固体酸催化剂,在此基础上采用共沉淀和浸渍的方法制备了磁性和超细SO42--TiO2-Fe3O4固体酸催化剂。利用XRD,TEM和FT-IR等分析测试手段对催化剂的结构和性能进行了表征。测定结果证实该催化剂具有较小的粒度,较高的磁性表现。在乙酸丁酯合成反应中SO42--TiO2-Fe3O4展示了很高的催化活性(酯化率可达82.7%),而且利用Fe3O4的磁性可对催化剂进行分离和回收.     

生物质炭基固体酸催化剂的制备

 以生物质木粉为原料, 采用炭化-磺化法制备了炭基固体酸催化剂, 并用于油酸与甲醇的酯化反应, 考察了制备条件对炭基固体酸催化剂活性的影响. 采用 X 射线衍射、红外光谱、热重分析、高分辨透射电子显微镜及元素分析等手段对催化剂进行了表征. 结果表明, 由生物质木粉制备的炭基固体酸催化剂具有较高催化酯化反应活性, 在 400 oC 下炭化 0.5 h, 135 oC 下磺化 1 h 制备的炭基固体酸催化剂在精馏分水连续酯化装置中催化油酸与甲醇的酯化反应 2 h 时, 酯化转化率达到 96%. 采用炭化-磺化法制备的生物质炭基固体酸催化剂具有蠕虫状的无序乱层炭结构, 磺酸基 (－SO3H) 含量高达 13.25%, 并且在 220 oC 以下时具有良好的热稳定性.     

电化学沉积制备聚苯胺纳米阵列及性能研究的综合化学实验

为将导电聚合物超级电容器电极材料引入到本科教学实验中，设计了综合探究性高分子材料制备实验——电化学沉积制备聚苯胺纳米阵列及性能研究。首先采用电化学法构筑导电高分子聚苯胺纳米阵列；然后运用紫外光谱、拉曼光谱、扫描电子显微镜和电化学工作站等，分别对聚苯胺阵列的化学结构、形貌和电化学性能进行表征。从材料的合成角度来看，该实验可以使学生了解和掌握电化学合成导电聚合物的机理与方法；从材料的结构和性能表征方面来看，可以使学生学习和操作科研类的大型仪器设备，对学生的动手操作能力具有实质性的锻炼。此外，该综合性实验很好地将化学制备与材料的应用相结合，方法简单，耗时短，重复性好，可作为高分子类专业本科生综合探究性实验开设。     

聚乙二醇类单体的制备及其生物相容性测定

聚乙二醇类单体是合成功能性高分子材料的重要单体。直接酯化法是合成此类单体的主要方法,但利用该法所制备产物的双键保留率偏低。针对这一问题,本文以聚乙二醇单甲醚-200和丙烯酸为原料,在携水剂存在的同时,向反应体系中引入变色硅胶,提高了直接酯化法去除生成水的效率,制备出了高双键保留率、高产率的聚乙二醇单甲醚-200丙烯酸酯(MPEGA-200),并采用红外光谱、1H NMR对产物进行了表征,采用过氧化氢酶评价了产物的生物相容性。通过正交实验确定了最佳合成条件为:醇酸摩尔比1:2,催化剂对甲苯磺酸和阻聚剂对苯二酚加量均为2%,变色硅胶占醇酸总质量的12%,携水剂石油醚60~90加量为18%,反应温度120℃,反应时间6h。在此条件下,酯化率可达95.47%,MPEGA-200的双键保留率为95.45%,产率为87.68%。另外,本文还采用单因素法研究了各反应条件对酯化反应的影响规律。     

氢氧化镍薄膜制备及析氧电催化活性评价的综合实验设计

设计一个包括氢氧化镍薄膜制备、铁掺杂以及析氧电催化活性评价的系统性应用化学综合实验。通过开展本实验,学生能够(1)学习利用电化学沉积方法制备电催化剂薄膜的技术;(2)初步掌握利用循环伏安、塔菲尔曲线等电化学测试技术对析氧电催化剂的活性进行评价的方法;(3)认识到痕量的杂质元素(铁)将对物质性能(析氧电催化活性)产生显著影响的客观事实。本实验将引导学生关注绿色可再生能源的开发及应用,有利于学生化学应用能力的培养。     

生物质炭基固体磺酸的制备及其酸催化性能研究

以马尾松木屑为原料,通过炭化、磺化法制备生物质炭基固体磺酸催化剂。通过中和滴定法测定催化剂表面比磺酸量,并应用于油酸与甲醇的酯化反应。以油酸的转化率作为考察指标评价其酸催化活性,考察了制备条件对固体酸催化剂催化活性的影响。采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射(XRD)等手段对催化剂进行了表征。通过正交试验确定固体酸催化剂的最佳条件为反应时间2 h;浓硫酸用量100 ml;催化剂用量13%;磺化温度165℃;油酸转化率可达91.36%。     

固体酸催化合成马来酸二丁酯

制备了固体酸催化剂Zr(SO4)2/SiO2,并用于合成马来酸二丁酯,考察了Zr(SO4)2负载量、焙烧温度、焙烧时间等催化剂制备条件对催化活性的影响。采用FTIR、XRD、TG等方法对催化剂进行了表征分析。通过正交实验设计优化了固体酸Zr(SO4)2/SiO2催化合成马来酸二丁酯的工艺条件。实验结果表明,Zr(SO4)2/SiO2是合成马来酸二丁酯的良好催化剂,适宜的催化剂制备条件为:硫酸锆负载量57%,焙烧温度400℃,焙烧时间2 h。适宜的催化合成反应条件为:酐醇物质的量比为1∶2.5,催化剂用量为马来酸酐质量的6%,带水剂甲苯8 mL,反应时间2.0 h。在此条件下马来酸二丁酯的酯化率为98.5%。     

锚定在杂多酸上的席夫碱锰配合物催化磷酸与等摩尔月桂醇绿色酯化反应

 将席夫碱锰配合物与硅钨酸结合制备出一种新颖的无机-有机杂化固体催化剂, 通过红外光谱和热重表征数据推测出这种催化剂的组成和结构, 并将其用于磷酸与等摩尔月桂醇酯化制备长链单烷基磷酸酯 (MAP). 结果表明, 采用 L1-Mn-SiW (L1: 双水杨醛缩-1,6-己二胺) 催化剂, 在优化的反应条件下, 酯化反应可获得 93% 的 MAP 收率和高达 98% 的 MAP 选择性. 催化剂的重复使用测试表明, 液-固多相酯化体系中该固体催化剂可方便地回收, 且具有优异的稳定性, 重复使用 6 次后催化剂活性未见下降, 结构没有变化, 是高效绿色催化剂. 该催化剂作用下的磷酸酯化是固体碱催化过程.