催化学报 ›› 2025, Vol. 79: 127-147.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64822-4
收稿日期:2025-05-01
接受日期:2025-07-31
出版日期:2025-12-05
发布日期:2025-10-27
通讯作者:
李桂英,胡常伟
基金资助:
Mingdong Zhang, Xueshuang Wu, Guiying Li(
), Changwei Hu(
)
Received:2025-05-01
Accepted:2025-07-31
Online:2025-12-05
Published:2025-10-27
Contact:
Guiying Li, Changwei Hu
Supported by:摘要:
己二酸(AA)是全球产量最大的化学品之一, 主要用于尼龙-66及工程塑料的合成. 由环己烷氧化制备己二酸的传统方法采用两步过程, 且需使用高浓度的HNO3, 导致该方法不仅过程复杂、污染严重, 而且存在安全隐患. 采用绿色氧化剂一步氧化环己烷制备己二酸是理想的替代方案, 该过程需要同时实现环己烷饱和C-H键的活化和环己酮C-C键的断裂, 因此要求催化剂兼具这两种功能. MnOx氧化还原性能优异, 能够有效活化氧气, 但其活性高度依赖于Mn所处的微环境. TS-1沸石对有机物具有显著的选择性氧化活性, 且已有多种策略对其孔径与结构进行调控. 因此, 本文将Mn物种锚定到分级TS-1中, 利用Mn与Ti双组分的协同效应, 实现一步高效催化氧化环己烷制备己二酸.
本文采用改进的直接合成法, 成功制备了分级含锰TS-1沸石(HMTS), 在该合成法中, 采用3-(苯基氨基)丙基三甲氧基硅烷为介孔剂, 实现了分子筛分级结构的构建; 介孔剂同时对Mn进入分子筛发挥了重要作用. 通过X射线衍射、X射线光电子能谱、透射电镜、紫外-可见光光谱和扩展X射线吸收精细结构等多种表征, 对HMTS沸石中Ti物种和Mn物种的配位微环境进行了探究, 发现钛物种和锰物种共存于沸石骨架中. 其中钛物种以Ti4+形式存在, 具有四面体结构, 其X射线吸收特征与传统TS-1完全一致; 高分散锰物种以Mn3+及Mn4+形式存在, 其第一配位壳层O的平均配位数为3.5-3.7, 且第二配位壳层没有观察到Mn. 将Mn引入含Ti分子筛后, 不仅促进了表面氧空位的形成, 还促进了分子筛上中强酸位点的生成, 赋予了HMTS催化剂高效活化氧气和促进底物吸附的能力. 在140 °C, 2 MPa氧气压力的条件下, 以HMTS为催化剂, 一锅氧化环己烷, 可获得81.6%的环己烷转化率和71.5%的AA选择性. 单组分催化剂的对照实验证实, 骨架Ti4+的Lewis酸性有利于环己烷C-H的活化, 催化环己烷氧化为环己酮和环己醇混合物(KA油), 表现出对环己烷和环己醇更高的氧化活性, 而对环己酮的氧化活性有限. 而骨架Mn则对环己醇和环己酮的进一步氧化表现出很好的活性, 有利于KA油进一步向AA的转化. 分级结构中骨架Ti和Mn的协同催化作用是催化剂表现出良好活性的关键因素. 骨架Ti4+可活化氧气形成活性Ti-O22-物种, 该物种可高效促进环己烷C-H键的活化; 骨架Mn可活化氧气形成活性Mn4+-O2-物种, 该物种有利于促进环己酮C-C键的断裂. 分级结构不仅暴露了更多的表面活性位点, 促进了底物传质, 还为骨架Mn与Ti的协同作用提供了更好的微环境, 从而促进整个过程的协同进行.
综上, 本工作成功合成了新型HMTS沸石材料, 其中Ti和Mn物种对C-H键和C-C键活化展现出了良好协同催化能力, 有望拓展应用到烃类C-H键选择性活化功能化反应及相关反应, 同时为设计制备多功能TS-1提供了新思路.
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| Sample | O | Si | Ti | Mn | Ti b (wt%) | Mn b (wt%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TS-1 | 56.71 | 43.28 | 0.01a | — | 0.02 | — |
| MTS-1 | 62.70 | 34.42 | 0.67 | 2.21 | 1.51 | 5.73 |
| HTS-1 | 61.61 | 38.20 | 0.19 | — | 0.44 | — |
| HMTS-1 | 62.18 | 37.21 | 0.21 | 0.40 | 0.48 | 1.06 |
| HMTS-2 | 62.63 | 36.44 | 0.16 | 0.77 | 0.39 | 2.04 |
| HMTS-3 | 64.02 | 34.54 | 0.16 | 1.28 | 0.38 | 3.40 |
| HMTS-4 | 66.85 | 31.11 | 0.16 | 1.88 | 0.37 | 5.04 |
| HMS-3 | 63.86 | 34.62 | — | 1.12 | — | 2.62 |
| HMTS-3c | 62.68 | 35.61 | 0.41 | 1.30 | 0.94 | 3.41 |
| HMTS-3d | 62.55 | 35.82 | 0.45 | 1.18 | 1.01 | 3.10 |
| HMS-3c | 63.58 | 35.23 | — | 1.19 | — | 3.15 |
| HMS-3d | 63.40 | 35.34 | — | 1.26 | — | 3.33 |
Table 1 Surface chemical composition determined by XPS (mol%).
| Sample | O | Si | Ti | Mn | Ti b (wt%) | Mn b (wt%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TS-1 | 56.71 | 43.28 | 0.01a | — | 0.02 | — |
| MTS-1 | 62.70 | 34.42 | 0.67 | 2.21 | 1.51 | 5.73 |
| HTS-1 | 61.61 | 38.20 | 0.19 | — | 0.44 | — |
| HMTS-1 | 62.18 | 37.21 | 0.21 | 0.40 | 0.48 | 1.06 |
| HMTS-2 | 62.63 | 36.44 | 0.16 | 0.77 | 0.39 | 2.04 |
| HMTS-3 | 64.02 | 34.54 | 0.16 | 1.28 | 0.38 | 3.40 |
| HMTS-4 | 66.85 | 31.11 | 0.16 | 1.88 | 0.37 | 5.04 |
| HMS-3 | 63.86 | 34.62 | — | 1.12 | — | 2.62 |
| HMTS-3c | 62.68 | 35.61 | 0.41 | 1.30 | 0.94 | 3.41 |
| HMTS-3d | 62.55 | 35.82 | 0.45 | 1.18 | 1.01 | 3.10 |
| HMS-3c | 63.58 | 35.23 | — | 1.19 | — | 3.15 |
| HMS-3d | 63.40 | 35.34 | — | 1.26 | — | 3.33 |
| Sample | Framework Ti species (%) | Extra-framework Ti species (%) | Mn2+ (%) | Mn3+ (%) | Mn4+ (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| TS-1 | 100.0 | — | — | — | — |
| MTS-1 | 41.6 | 58.4 | 51.3 | 37.8 | 10.9 |
| HTS-1 | 100.0 | — | — | — | — |
| HMTS-1 | 100.0 | — | 39.7 | 34.8 | 25.5 |
| HMTS-2 | 100.0 | — | 35.2 | 44.6 | 20.2 |
| HMTS-3 | 100.0 | — | 24.5 | 54.2 | 21.3 |
| HMTS-4 | 61.4 | 38.6 | 34.4 | 42.8 | 22.8 |
| HMS-3 | — | — | 21.6 | 56.1 | 22.3 |
Table 2 The Ti and Mn contents in different chemical states on the surface.
| Sample | Framework Ti species (%) | Extra-framework Ti species (%) | Mn2+ (%) | Mn3+ (%) | Mn4+ (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| TS-1 | 100.0 | — | — | — | — |
| MTS-1 | 41.6 | 58.4 | 51.3 | 37.8 | 10.9 |
| HTS-1 | 100.0 | — | — | — | — |
| HMTS-1 | 100.0 | — | 39.7 | 34.8 | 25.5 |
| HMTS-2 | 100.0 | — | 35.2 | 44.6 | 20.2 |
| HMTS-3 | 100.0 | — | 24.5 | 54.2 | 21.3 |
| HMTS-4 | 61.4 | 38.6 | 34.4 | 42.8 | 22.8 |
| HMS-3 | — | — | 21.6 | 56.1 | 22.3 |
| Sample | SBET a (m2 g-1) | Smic (m2 g-1) | Sext (m2 g-1) | Vptotal (cm3 g-1) | Vmic (cm3 g-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| TS-1 | 415.59 | 284.16 | 131.43 | 0.21 | 0.12 |
| MTS-1 | 384.65 | 258.58 | 126.08 | 0.20 | 0.11 |
| HTS-1 | 517.82 | 255.80 | 262.02 | 0.34 | 0.12 |
| HMTS-1 | 511.15 | 245.74 | 265.41 | 0.35 | 0.11 |
| HMTS-2 | 501.15 | 237.86 | 263.29 | 0.35 | 0.12 |
| HMTS-3 | 478.65 | 234.20 | 244.45 | 0.33 | 0.11 |
| HMTS-4 | 421.97 | 230.46 | 191.51 | 0.29 | 0.10 |
| HMS-3 | 483.51 | 239.73 | 243.78 | 0.33 | 0.12 |
Table 3 Physicochemical properties of different catalysts.
| Sample | SBET a (m2 g-1) | Smic (m2 g-1) | Sext (m2 g-1) | Vptotal (cm3 g-1) | Vmic (cm3 g-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| TS-1 | 415.59 | 284.16 | 131.43 | 0.21 | 0.12 |
| MTS-1 | 384.65 | 258.58 | 126.08 | 0.20 | 0.11 |
| HTS-1 | 517.82 | 255.80 | 262.02 | 0.34 | 0.12 |
| HMTS-1 | 511.15 | 245.74 | 265.41 | 0.35 | 0.11 |
| HMTS-2 | 501.15 | 237.86 | 263.29 | 0.35 | 0.12 |
| HMTS-3 | 478.65 | 234.20 | 244.45 | 0.33 | 0.11 |
| HMTS-4 | 421.97 | 230.46 | 191.51 | 0.29 | 0.10 |
| HMS-3 | 483.51 | 239.73 | 243.78 | 0.33 | 0.12 |
Fig. 3. (a) XRD patterns of catalyst samples. (b) Enlarged scale between 2θ = 7.4° and 9.7° of (a) for HMS-3, HTS-1, HMTS-1, HMTS-2, HMTS-3, and HMTS-4.
Fig. 4. TEM of catalyst samples prepared using different methods. (a-c) TS-1; (d-f) MTS-1; (g-i) HTS-1; (j-l) HMTS-3. (m) The corresponding EDS mapping of Fig. 4(e). (n) The corresponding EDS mapping of Fig. 4(k).
Fig. 5. (a) UV-vis spectra of TS-1, MTS-1, HTS-1, HMTS-3 and HMS-3 (no significant offset). (b) UV-vis spectra of HMTS-1, HMTS-2, HMTS-3, HMTS-4 and HMS-3 (no significant offset). (c) FT-IR spectra of TS-1, MTS-1, HTS-1 and HMTS-3. (d) FT-IR spectra of HMTS-1, HMTS-2, HMTS-3, HMTS-4 and HMS-3.
Fig. 6. (a) Mn K-edge XANES spectra of HMTS-3, HMS-3 and different reference samples. (b) Ti K-edge XANES spectra of HMTS-3, HTS-1 and different reference samples. (c) Fourier transform k3-weighted Mn EXAFS spectra in the R-spacing of different samples. (d) Fourier transform k3-weighted Ti EXAFS spectra in the R-spacing of different samples.
Fig. 7. WT-EXFAS spectra of Mn species. (a) Mn foil; (b) MnO2; (c) Mn3O4; (d) HMTS-3; (e) HMS-3. WT-EXFAS spectra of Ti species. (f) Ti foil; (g) TiO2; (h) HMTS-3; (i) HTS-1.
| Entry | Catalyst | Conv. (%) | Selectivity (%) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A | B | KA oil b | C | D | |||
| 1 | Blank | trace | — | — | — | — | — |
| 2 | TS-1 | 18.2 | 40.2 | 25.7 | 65.9 | 20.5 | 13.6 |
| 3 | MTS-1 | 26.4 | 34.7 | 20.8 | 55.5 | 30.5 | 14.0 |
| 4 | HTS-1 | 43.4 | 30.2 | 18.3 | 48.5 | 41.1 | 10.4 |
| 5 | HMS-3 | 35.1 | 27.2 | 16.5 | 43.7 | 46.3 | 10.0 |
| 6 | HMTS-1 | 58.3 | 22.1 | 13.4 | 35.5 | 54.7 | 9.8 |
| 7 | HMTS-2 | 74.4 | 19.0 | 7.3 | 26.3 | 62.2 | 11.5 |
| 8 | HMTS-3 | 81.6 | 11.5 | 3.6 | 15.1 | 71.5 | 13.4 |
| 9 | HMTS-4 | 79.1 | 11.9 | 2.6 | 14.5 | 68.3 | 17.2 |
| 10 c | HMS-3 & HTS-1 | 61.2 | 17.3 | 10.6 | 27.9 | 65.7 | 10.4 |
| 11d | HMTS-3 | — | — | — | — | — | — |
| 12e | HMTS-3 | — | — | — | — | — | — |
Table 4 Catalytic performance of different catalystsa.
| Entry | Catalyst | Conv. (%) | Selectivity (%) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A | B | KA oil b | C | D | |||
| 1 | Blank | trace | — | — | — | — | — |
| 2 | TS-1 | 18.2 | 40.2 | 25.7 | 65.9 | 20.5 | 13.6 |
| 3 | MTS-1 | 26.4 | 34.7 | 20.8 | 55.5 | 30.5 | 14.0 |
| 4 | HTS-1 | 43.4 | 30.2 | 18.3 | 48.5 | 41.1 | 10.4 |
| 5 | HMS-3 | 35.1 | 27.2 | 16.5 | 43.7 | 46.3 | 10.0 |
| 6 | HMTS-1 | 58.3 | 22.1 | 13.4 | 35.5 | 54.7 | 9.8 |
| 7 | HMTS-2 | 74.4 | 19.0 | 7.3 | 26.3 | 62.2 | 11.5 |
| 8 | HMTS-3 | 81.6 | 11.5 | 3.6 | 15.1 | 71.5 | 13.4 |
| 9 | HMTS-4 | 79.1 | 11.9 | 2.6 | 14.5 | 68.3 | 17.2 |
| 10 c | HMS-3 & HTS-1 | 61.2 | 17.3 | 10.6 | 27.9 | 65.7 | 10.4 |
| 11d | HMTS-3 | — | — | — | — | — | — |
| 12e | HMTS-3 | — | — | — | — | — | — |
Fig. 8. Effect of temperature (0.05 g of catalyst, 2.34 g substrate, 27 mL acetonitrile, 2.0 MPa O2, 6 h) (a), reaction pressure (0.05 g of catalyst, 2.34 g substrate, 27 mL acetonitrile, 140 °C, 6 h) (b), catalyst amount (2.34 g substrate, 27 mL acetonitrile, 2.0 MPa O2, 140 °C, 6 h) (c) and reaction time (0.05 g of catalyst, 2.34 g substrate, 27 mL acetonitrile, 2.0 MPa O2, 140 °C) (d) on the conversion of cyclohexane and AA vs. KA oil selectivity over HMTS-3 catalysts (“others” were mainly glutaric acid and succinic acid).
Fig. 9. (a) Reaction results of HTS-1, HMS-3 and HMTS-3 with different substrates. (b) O2-TPD patterns of all catalysts (significant offset can be observed at 100?140 °C). (c) EPR spectra for oxygen vacancy. (d). NH3-TPD patterns of all catalysts. (e) Py-IR patterns of all catalysts. (f) Enlarged scale between wavenumbers = 1510 and 1560 cm?1 of Fig. 9(e).
| Sample | Total acidity a (mmol g-1) | B/L ratio b | CBAS c (mmol g-1) | CBAS d (mmol g-1) |
|---|---|---|---|---|
| TS-1 | 0.27 | 0.06 | 0.015 | 0.018 |
| MTS-1 | 0.25 | 0.04 | 0.009 | 0.008 |
| HTS-1 | 0.25 | 0.04 | 0.009 | 0.011 |
| HMTS-1 | 0.28 | 0.05 | 0.013 | 0.014 |
| HMTS-2 | 0.35 | 0.05 | 0.017 | 0.016 |
| HMTS-3 | 0.42 | 0.04 | 0.017 | 0.019 |
| HMTS-4 | 0.31 | 0.04 | 0.012 | 0.013 |
| HMS-3 | 0.35 | 0.04 | 0.014 | 0.016 |
Table 5 Acidity properties of different samples.
| Sample | Total acidity a (mmol g-1) | B/L ratio b | CBAS c (mmol g-1) | CBAS d (mmol g-1) |
|---|---|---|---|---|
| TS-1 | 0.27 | 0.06 | 0.015 | 0.018 |
| MTS-1 | 0.25 | 0.04 | 0.009 | 0.008 |
| HTS-1 | 0.25 | 0.04 | 0.009 | 0.011 |
| HMTS-1 | 0.28 | 0.05 | 0.013 | 0.014 |
| HMTS-2 | 0.35 | 0.05 | 0.017 | 0.016 |
| HMTS-3 | 0.42 | 0.04 | 0.017 | 0.019 |
| HMTS-4 | 0.31 | 0.04 | 0.012 | 0.013 |
| HMS-3 | 0.35 | 0.04 | 0.014 | 0.016 |
Fig. 11. Mechanistic pathway for oxidative conversion of cyclohexane to AA, (2), (3), (4), (6), (7), (8) represent the possible catalytically active species shown in Scheme 1.
Fig. 12. (a) Recyclability tests of HMTS-3 catalyst for cyclohexane oxidation. XRD patterns (b), and Ti 2p (c) and C 1s (d) XPS spectra of recycled catalysts, of recycled catalysts.
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