Коскин Антон Павлович,
Габова Наталья Евгеньевна
Аннотация
Углеродные материалы с химически-связанными сульфогруппами (УСМ) перспективны для ряда промышленно важных кислотно-катализируемых реакций (алкилирование, этерификация, нитрование и дегидрирование). Данные материалы обладают высокими текстурными характеристиками (удельная площадь поверхности и объем пор), а также силой кислотных центров, сравнимой с концентрированной серной кислотой. Высокая концентрация кислотных центров позволяет рассматривать УСМ как альтернативу стандартным гомогенно-кислотным катализаторам (серная кислота, толуолсульфокислота), используемым в промышленности.
В данной работе исследованы методы синтеза УСМ с включением стадии синтеза углерод-углеродных композитов состава: карбонизованная d-глюкоза/углеродные нановолокна, с последующим сульфированием полученных мезопористых материалов серной кислотой или олеумом (20 % SO3). Подобрано оптимальное соотношение предшественника кислотной фазы (карбонизованная d-глюкоза) и углеродных нановолокон для сочетания высоких текстурных характеристик (>100 м2/г) и кислотности (1.2 ммоль/г) УСМ. Синтезированные материалы исследованы методами низкотемпературной адсорбцией азота (текстурные характеристики), РФЭС, элементного анализа (состояние и содержание серы в образцах) и титриметрическими методами. Каталитическая активность УСМ изучена в реакции жидкофазной этерификации карбоновых кислот (RCOOH + CH3OH, где R = CH3, C6H13).
Ключевые слова: кислотный катализ, этерификация, сульфатированные углеродные материалы.
Авторы:
Коскин Антон Павлович
родился в 1980 году, канд. техн. наук, научный сотрудник лаборатории исследования наноструктурированных катализаторов и сорбентов Института катализа СО РАН. Область научных интересов: твердые кислоты, гетерогенный катализ, нитрование ароматических соединений, тонкий органический синтез. Опубликовано 23 научные работы. (Адрес: 630090, Россия, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 5. Email: koskin@catalysis.ru).
Габова Наталья Евгеньевна
родилась в 1994 году, студентка Новосибирского государственного технического университета. Область научных интересов: твердые кислоты, гетерогенный катализ, тонкий органический синтез. (Адрес: 630073, Россия, Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20. Email: atashka94@mail.ru).
Список литературы
- Kang S., Ye J., Chang J. Recent advances in carbon-based sulfonated catalyst: preparation and application // International Review of Chemical Engineering. – 2014. – Vol. 5. – P. 133–143.
- A carbon material as a strong protonic acid / M. Hara, T. Yoshida, A. Takagaki, T. Takata, J.N. Kondo, K. Domen // Angewandte Chemie International Edition. – 2004. – Vol. 43. – P. 2955–2958. – doi: 10.1002/anie.200453947.
- Hydrolysis of carboxylic acid esters catalyzed by a carbon-based solid acid / Z. Fu, H. Wan, Q. Cui, J. Xie, Y. Tang, G. Guan // Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. – 2011. – Vol. 104. – P. 313–321. – doi: 10.1007/s11144-011-0348-6.
- Preparation of a sugar catalyst and its use for highly efficient production of biodiesel / M.-H. Zong, Z.-Q. Duan, W.-Y. Lou, T.J. Smith, H. Wu // Green Chemistry. – 2007. – Vol. 9. – P. 434–437. – doi: 10.1039/B615447F.
- Towards a bio-based industry: benign catalytic esterifications of succinic acid in the presence of water / V. Budarin, R. Luque, D.J. Macquarrie, J.H. Clark // Chemistry – A European Journal. – 2007. – Vol. 13. – P. 6914–6919. – doi: 10.1002/chem.200700037.
- sp3-Linked amorphous carbon with sulfonic acid groups as a heterogeneous acid catalyst / S. Suganuma, K. Nakajima, M. Kitano, S. Hayashi, M. Hara // ChemSusChem. – 2012. – Vol. 5. –P. 1841–1846. – doi: 10.1002/cssc.201200010.
- Synthesis and characterization of sulfonated single-walled carbon nanotubes and their performance as solid acid catalyst / H. Yu, Y. Jin, Z. Li, F. Peng, H. Wang // Journal of Solid State Chemistry. – 2008. – Vol. 181. – P. 432–438. – doi: 10.1016/j.jssc.2007.12.017.
- SO3H-bearing mesoporous carbon with highly selective catalysis / S. Suganuma, K. Nakajima, M. Kitano, H. Kato, A. Tamura, H. Kondo, S. Yanagawa, S. Hayashi, M. Hara // Microporous and Mesoporous Materials. – 2011. – Vol. 143. – P. 443–450. – doi: 10.1016/j.micromeso.2011.03.028.
- Acid-catalyzed reactions on flexible polycyclic aromatic carbon in amorphous carbon / M. Okamura, A. Takagaki, M. Toda, J.N. Kondo, K. Domen, T. Tatsumi, M. Hara, S. Hayashi // Chemistry of Materials. – 2006. – Vol. 18. – P. 3039–3045. – doi: 10.1021/cm0605623.
- Sulfonic-acid-functionalized porous benzene phenol polymer and carbon for catalytic esterification of methanol with acetic acid / X. Tian, L.L. Zhang, P. Bai, X.S. Zhao // Catalysis Today. – 2011. – Vol. 166. – P. 53–59. – doi: 10.1016/j.cattod.2010.03.082.
- Preparation of a sulfonated activated carbon fiber catalyst with c-irradiation-induced grafting method / Q. Li, S. Chen, L. Zhuang, X. Xu, H. Li // Journal of Materials Research. – 2012. – Vol. 27. – P. 3083–3089. – doi: 10.1557/jmr.2012.360.
- Sulfonated ordered mesoporous carbon as a stable and highly active protonic acid catalyst / X. Wang, R. Liu, M.M. Waje, Z. Chen, Y. Yan, N.K. Bozhilov, P. Feng // Chemistry of Materials. – 2007. – Vol. 19. – P. 2395–2397. – doi: 10.1021/cm070278r.
- Preparation of poly(p-styrenesulfonic acid) grafted multi-walled carbon nanotubes and their application as a solid-acid catalyst / X.H. Zhang, Q.Q. Tang, D. Yang, W. Hua, Y.H. Yue, B.D. Wang, X.H. Zhang, J.H. Hu // Materials Chemistry and Physics. – 2011. – Vol. 126. – P. 310–313. – doi: 10.1016/j.matchemphys.2010.11.021.
- Catalytic synthesis of nanosized feathery carbon structures via the carbide cycle mechanism / I.V. Mishakov, R.A. Buyanov, V.I. Zaikovskii, I.A. Streltsov, A.A. Vedyagin // Kinetics and Catalysis. – 2008. – Vol. 49. – P. 868–878.
- Sulfonation of pyropolimeric fibers derived from phenol-formaldehyde resins / K.R. Benak, L. Dominguez, J. Economy, C.L. Mangun // Carbon. – 2002. – Vol. 40. – P. 2323–2332. – doi: 10.1016/S0008-6223(02)00146-X.
