Fe2O3-ZnO/SiO2催化氧化異戊醇一步合成異戊酸異戊酯

章 毅 趙彬俠 張小里 高虎飛 張耀中

Fe2O3-ZnO/SiO2催化氧化異戊醇一步合成異戊酸異戊酯

章 毅 趙彬俠＊張小里 高虎飛 張耀中

(西北大學化工學院，西安 710069)

采用浸漬法制備了系列不同F(xiàn)e2O3、ZnO負載量的Fe2O3-ZnO/SiO2催化劑，并用XRD、BET、SEM等對催化劑進行了表征；考察了以分子氧為氧化劑時，該系列催化劑對異戊醇一步合成異戊酸異戊酯的催化性能，并初步探討了其反應機理。結(jié)果表明，在Fe2O3/SiO2催化劑上引入適量ZnO后，提高了Fe2O3在SiO2上的分散度，減小了Fe2O3的粒徑，所制得的Fe2O3-ZnO/SiO2催化劑有較大的比表面積、孔體積、孔徑，催化性能優(yōu)于Fe2O3/SiO2。其中，在Fe2O3與ZnO的協(xié)同作用下，6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2催化性能最佳，常壓下當催化劑用量為0.9 g(占反應物質(zhì)量的3.5%)，反應溫度120℃，反應時間9 h，異戊醇一步合成異戊酸異戊酯的選擇性達54.5%，收率達31.4%。對該合成機理的初步探討表明，只有催化劑與分子氧的共同作用下，異戊醇才能高效的合成異戊酸異戊酯。

異戊醇；異戊酸異戊酯；氧化鐵；氧化鋅；二氧化硅；分子氧

異戊酸異戊酯作為食用香精、食品賦香劑使用范圍很廣，還可用于合成醫(yī)藥、溶劑等。目前，我國工業(yè)合成異戊酸異戊酯采用以濃硫酸為催化劑，催化異戊醇和異戊酸酯化而來，然而濃硫酸對設備腐蝕嚴重，后續(xù)處理工藝常產(chǎn)生廢酸廢堿等，污染環(huán)境。因此，先后有研究采用雜多酸[1]、脂肪酶[2]、固體超強酸[3-5]、硫酸鹽[6-7]、納米級分子篩[8]等催化劑替代濃硫酸，從而減輕了對設備的腐蝕，減少了廢酸廢堿，且催化效果較好。然而原料異戊酸仍舊要從高錳酸鉀氧化異戊醇制得，所以原料來源困難，環(huán)境污染在所難免。

為此，有研究直接采用異戊醇為原料合成異戊酸異戊酯。孫等[9]采用異戊醇為原料，以Cu/Zn/Al/Zr系催化劑催化異戊醇一步生成異戊酸異戊酯，該方法解決了濃硫酸對設備的腐蝕問題、環(huán)境污染問題，且縮短了工藝路線；傅等[10]以Cu/Zn/Al/Co系催化劑催化異戊醇與CO2反應制得異戊酸異戊酯，取得了一定的成果，同時將溫室氣體CO2轉(zhuǎn)變成為碳一化工原料CO；然而前者在催化劑中加入了貴金屬，成本較高，這兩個反應的所需反應溫度、壓力也相對較高。

針對上述現(xiàn)狀，結(jié)合國內(nèi)外制備異戊酸異戊酯的報道，實驗室以成本較低的過渡金屬及其氧化物為活性組分，并使用浸漬法使其負載于比表面積大且具有介孔的SiO2載體上。在前期的研究中發(fā)現(xiàn)以Fe2O3為活性組分的Fe2O3/SiO2催化劑可以較好的催化異辛醇氧化為異辛酸[11]，對于異戊醇也表現(xiàn)出較好的催化性能，ZnO對于異戊醇一步合成異戊酸異戊酯也有一定的催化效果[12]。本文中在Fe2O3/SiO2催化劑基礎(chǔ)上引入ZnO作為助催化劑，發(fā)現(xiàn)在兩者的協(xié)同作用下催化異戊醇一步轉(zhuǎn)化為異戊酸異戊酯的效果較好，且反應條件較為溫和。制備并表征了Fe2O3-ZnO/SiO2系列催化劑，對其催化性能及反應機理進行了初步探討。

1 實驗部分

1.1 催化劑的制備

硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)、硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O)均為天津市科密歐化學試劑有限公司生產(chǎn)，分析純；載體SiO2(粗孔球型硅膠，實驗測定吸水率為0.85 mL·g-1)為青島海洋化工公司生產(chǎn)。以4%Fe2O3-4%ZnO/SiO2催化劑為例，具體制備步驟如下：根據(jù)制備催化劑的總量以及氧化物負載量稱量所需用量的Fe(NO3)3·9H2O 及 Zn(NO3)2·6H2O，分別為 5.952 g、4.300 g，之后分別將兩者溶解于去離子水中并定容至25 mL；將去離子水洗凈后的10 g SiO2浸漬于配制的硝酸鐵溶液中，等體積動態(tài)浸漬12 h后，在60～70℃下緩慢揮發(fā)水分，之后110℃干燥12 h，置于500℃焙燒4 h，得到4%Fe2O3/SiO2。之后將所得4%Fe2O3/SiO2浸漬于配制的硝酸鋅溶液，重復上述步驟即得4%Fe2O3-4%ZnO/SiO2催化劑，其中以x%Fe2O3及y%ZnO分別表示其在SiO2的負載量 (金屬氧化物質(zhì)量與載體質(zhì)量的百分數(shù))。

1.2 實驗儀器

1.2.1 X 射線粉末衍射(XRD)分析

X射線粉末衍射(XRD)測試儀器為日本理學公司的D/max-2400型轉(zhuǎn)靶式X-射線衍射儀，入射光源為Cu靶Kα射線，入射波長λ=0.154 05 nm，掃描范圍選取 15°～70°，掃描速率 10°·min-1。

1.2.2 比表面積和孔結(jié)構(gòu)分析

比表面積和孔結(jié)構(gòu)使用美國康塔的AUTOSORB-1自動吸附儀測定，N2作吸附質(zhì)，測定溫度為-196℃。測定前，樣品先在70℃下預熱30 min，然后于300℃下脫氣4 h。比表面積測定方法為BET法，孔徑分布采用BJH方法計算得到。

1.2.3 催化劑形貌表征

催化劑形貌表征采用日本電子JSM-5800 Oxford ISIS-200EDX掃描電鏡 (SEM)，樣品采用Eikom-3型Ion Coater噴金5 min增加其導電性，在12 kV加速電壓下進行形貌分析。

1.2.4 氣相色譜分析

氣相色譜為上海科創(chuàng)公司的GC900A，SE-30毛細管色譜柱，F(xiàn)ID檢測器，柱箱溫度110℃，汽化及氫焰溫度均為200℃。

1.3 異戊酸異戊酯的合成

在安裝有回流裝置及分水器的三口瓶中加入30 mL異戊醇(分析純，天津市天力化學試劑有限公司)，0.9 g 催化劑(mCatalyst/mIsoamylalcohol=0.035)。 在回流冷凝條件下加熱至指定溫度120℃，連續(xù)鼓泡通入氧氣，流量為25 mL·min-1，并在磁力攪拌情況下恒溫反應9 h，將反應產(chǎn)物離心分離去除催化劑后采用GC900A氣相色譜進行檢測。X表示異戊醇轉(zhuǎn)化率、S表示異戊酸異戊酯選擇性、Y表示異戊酸異戊酯收率、Y1表示異戊醛收率、Y2表示異戊酸收率、Y3表示異戊醚收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe2O3-ZnO/SiO2系列催化劑表征結(jié)果

2.1.1 XRD 分析

圖 1為不同 Fe2O3、ZnO負載量的 Fe2O3-ZnO/SiO2催化劑 XRD圖，根據(jù)前期的研究[11-12]，F(xiàn)e2O3較好的負載量為4%和6%，因而重點考查了這2個負載量，同理對于ZnO負載量重點考查了2%和4%。由圖中不同 ZnO 負載量的圖(1)、(2)、(3)可以看出，隨著ZnO負載量的不斷增大，除了載體SiO2在2θ=22°左右寬而彌散的衍射峰外并未出現(xiàn)ZnO特征衍射峰，也未出現(xiàn)其它物質(zhì)的特征衍射峰。相關(guān)文獻[13-14]也報道過類似現(xiàn)象，原因是ZnO負載量較小時，ZnO高度分散于SiO2表面以及孔道之中，因而在載體SiO2上呈現(xiàn)為非晶體形態(tài)；或者ZnO聚集形成了極其細小的團簇，附著于SiO2孔道之中，所以未見其特征衍射峰。因此本文認為ZnO在該SiO2載體上呈現(xiàn)單層分散現(xiàn)象，只要ZnO的負載量沒有超過在SiO2載體表面單層分散的最大容量閾值，就不會出現(xiàn)ZnO的晶體相態(tài)。

圖(4)、(5)分別為 4%Fe2O3/SiO2及 6%Fe2O3/SiO2，與4%ZnO/SiO2的圖譜對比可以發(fā)現(xiàn)除了SiO2的衍射峰外， 在 2θ=22.6°、32.9°、35.5°、40.8°、49.2°和53.9°等處還出現(xiàn)了Fe2O3的特征衍射峰，這說明相同負載量的Fe2O3在SiO2載體上的單層分散閾值較小，容易形成晶相；并且隨著其負載量的增加，F(xiàn)e2O3的特征衍射峰峰強增強，晶體發(fā)育逐漸完善。(6)、(7)、(8) 分 別 為 4%Fe2O3-2%ZnO/SiO2，4%Fe2O3-4%ZnO/SiO2，6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2， 圖譜中只有 Fe2O3的特征衍射峰，并未出現(xiàn)ZnO及其他物質(zhì)的特征衍射峰，說明在500℃焙燒溫度下ZnO仍舊高度分散，F(xiàn)e2O3也未與ZnO形成復合物；然而分別對比(4)和(6)、(7)，(5)和(8)可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2O3的特征衍射峰峰強隨著ZnO負載量的增加而出現(xiàn)了減弱，這就說明ZnO的引入提高了Fe2O3在SiO2上的分散度，減小了Fe2O3晶粒粒徑，從而使其特征峰峰強減弱。文獻[15-16]報道過類似現(xiàn)象，原因可能是ZnO覆蓋在Fe2O3微晶表面，形成了能壘，阻礙了該微晶的生長。

2.1.2 比表面積及孔結(jié)構(gòu)分析

表 1為不同 Fe2O3、ZnO負載量的 Fe2O3-ZnO/SiO2催化劑BET表征結(jié)果。由表1可見，由于氧化物的負載，使得SiO2的比表面積、孔體積及孔徑均發(fā)生了變化。對于負載量為2%及4%的ZnO/SiO2來說，隨著ZnO負載量的增加，比表面積、孔體積及孔徑基本呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，這是因為在二氧化硅內(nèi)孔表面負載了ZnO的緣故[17]。然而，ZnO負載量為2%時，ZnO/SiO2的比表面積反而從未負載時的412.6 m2·g-1增大到了 460.5 m2·g-1。 相關(guān)文獻[18-19]也報道過類似情況，原因是由于ZnO的比表面積較小，少量負載使SiO2載體表面和孔道中凹凸不平，所以比表面積增大。當ZnO的負載超過一定量(4%)，過多的ZnO將會覆蓋SiO2表面和孔道，致使ZnO/SiO2催化劑比表面積隨之減小，孔體積和孔徑也隨之減小。

表1 Fe2O3-ZnO/SiO2系列催化劑孔結(jié)構(gòu)Table 1 Pore parameters of Fe2O3-ZnO/SiO2catalyst series

對于負載量為4%及6%的Fe2O3/SiO2來說，F(xiàn)e2O3的負載也使得比表面積、孔體積及孔徑減小，但減少幅度較大，這與ZnO/SiO2有所區(qū)別。這可以從XRD表征結(jié)果加以解釋，因為Fe2O3更容易在SiO2表面和孔道中形成晶體，從而會對其孔道造成比ZnO/SiO2更嚴重的堵塞；而ZnO在SiO2表面和孔道中是以高度分散的形態(tài)存在。對比Fe2O3/SiO2與Fe2O3-ZnO/SiO2發(fā)現(xiàn)，如6%Fe2O3/SiO2與6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2，在Fe2O3/SiO2再負載ZnO并未使其比表面積減小太多，僅從372.1 m2·g-1減小到365.2 m2·g-1，反而增大了其孔徑，從5.91 nm 增大到6.31 nm，這就說明高度分散ZnO的引入提高了Fe2O3在SiO2上的分散度，與XRD表征結(jié)果一致。對于具有多孔結(jié)構(gòu)的Fe2O3-ZnO/SiO2催化劑，其顆粒內(nèi)部所具有的巨大內(nèi)表面是異戊醇一步合成異戊酸異戊酯的主要場所，比表面積、孔體積、孔徑的變化都會對催化劑的催化性能產(chǎn)生影響。將ZnO引入后所制得的Fe2O3-ZnO/SiO2催化劑與未引入ZnO之前的Fe2O3/SiO2相比較，孔體積、孔徑有所增加，這將會提高其催化性能，這點將在2.2中進行討論。

圖 2為不同 Fe2O3、ZnO負載量的 Fe2O3-ZnO/SiO2催化劑N2吸附-脫附等溫線。從圖中可以看出，各催化劑的吸附-脫附等溫線均為典型的介孔等溫線[20-21]：Ⅳ型等溫線。在相對壓力較低的情況下主要為單分子吸附并且存在多層吸附，在相對壓力較高時(p/p0＞0.45）由于吸附質(zhì) N2在催化劑孔中的毛細凝聚作用導致了吸附-脫附平衡曲線出現(xiàn)了滯后環(huán)，并最終在p/p0=0.9左右達到了平衡。其滯后環(huán)的位置和形狀表明了此催化劑的孔型趨向于墨水瓶形狀的孔結(jié)構(gòu)，且這些催化劑的孔結(jié)構(gòu)主要為介孔[22]。對比(1)和(2)可以看出兩者等溫線形狀基本一致，說明了ZnO高度分散于SiO2孔道之中，ZnO的負載并未使SiO2孔結(jié)構(gòu)發(fā)生本質(zhì)變化。對比(1)、(2)、(3)可以看出，負載了6%Fe2O3的催化劑等溫線脫附分支較為陡峭，說明其孔徑較小，F(xiàn)e2O3對SiO2孔的堵塞比ZnO的嚴重。然而，從等溫線(4)可以發(fā)現(xiàn)，當在6%Fe2O3/SiO2上再負載4%ZnO后其脫附分支不再陡峭，說明ZnO的引入對于分散Fe2O3，減少孔道堵塞有重要作用。

圖3為不同 Fe2O3、ZnO比例的 Fe2O3-ZnO/SiO2催化劑孔徑分布圖。從圖中可以看出，由于氧化物在SiO2孔內(nèi)壁的附著使得SiO2對吸附質(zhì)的吸附量明顯減少，且孔徑分布隨著負載量的增加而趨向于孔徑減少方向，文獻[23]也報道過類似現(xiàn)象。從圖中還可看出，該系列催化劑的孔以分布在4～10 nm間的介孔居多，其最可幾孔徑分別為：SiO2為6.98 nm、4%ZnO/SiO2為 6.27 nm、6%Fe2O3/SiO2為 5.74 nm、6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2為 6.10 nm。 從中可以看出，ZnO的引入增大了的Fe2O3/SiO2的最可幾孔徑，且6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2擁有的介孔孔徑相對于6%Fe2O3/SiO2來說較大，能夠使得異戊醇分子及氧分子更加容易的進入孔道之中并吸附于活性中心上；孔徑較大也使得反應產(chǎn)物異戊酸異戊酯的脫附相對于6%Fe2O3/SiO2來說更加容易，這也是為什么6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2表現(xiàn)出最好的催化性能的原因之一(見表2)。

表2 Fe2O3-ZnO/SiO2系列催化劑催化性能Table 2 Catalytic performance of Fe2O3-ZnO/SiO2catalyst series

2.1.2 SEM 圖分析

圖 4a、4b、4c 分 別 為 4%ZnO/SiO2、6%Fe2O3/SiO2、6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2催化劑SEM圖。圖4a中SiO2表面并未出現(xiàn)ZnO晶粒，這說明ZnO在SiO2上高度分散；圖中只在一定程度上出現(xiàn)了團聚，形成了不規(guī)則顆粒或者塊狀物。從圖4b中可以看出Fe2O3在SiO2表面所形成的晶粒大小基本一致，粒徑在 0.20～0.26 μm 之間，晶粒發(fā)育較為完全且排列緊密。從圖4c可以看出，由于ZnO的引入，F(xiàn)e2O3晶粒明顯變小，粒徑在 0.11～0.15 μm 之間且分散度提高了。以上分析結(jié)果與XRD、BET的表征結(jié)果一致，說明Fe2O3/SiO2催化劑上ZnO的引入確實提高了Fe2O3分散度，減小了其粒徑。

2.2 Fe2O3-ZnO/SiO2系列催化劑催化性能

在催化劑用量為 0.9 g，氧氣流量為 25 mL·min-1，反應溫度 120℃，反應時間9 h，考察了不同F(xiàn)e2O3、ZnO負載量Fe2O3-ZnO/SiO2催化劑對異戊醇一步合成異戊酸異戊酯的催化性能，反應結(jié)果見表2。由表2中可以看出，單組份的ZnO/SiO2催化劑對異戊酸異戊酯有較好的選擇性；而單組分的Fe2O3/SiO2則主要將異戊醇催化為異戊酸，因而對于異戊酸異戊酯收率及選擇性較差。且6%Fe2O3/SiO2催化性能不及4%Fe2O3/SiO2，這是因為6%Fe2O3晶體粒徑更大且排列緊密，分散度較差，堵塞了SiO2孔道，能夠提供吸附更多的氧分子、醇分子在其內(nèi)表面與活性中心Fe2O3接觸的孔道孔徑減小了，孔徑減小也會導致大分子的異戊酸異戊酯的脫離變得困難，因而催化性能較差。

本文試想，如果能將ZnO較好的分散能力引入到Fe2O3/SiO2，能否提高Fe2O3/SiO2的催化性能？于是，在4%Fe2O3/SiO2上引入了2%和4%的ZnO，結(jié)果表明ZnO的引入大大提高了4%Fe2O3/SiO2的催化性能，且催化性能隨著ZnO負載量的增加而增加。這可以從之前的XRD、BET及SEM表征中得到解釋：ZnO的引入減小了Fe2O3晶體粒徑，提高了Fe2O3分散度，有更多活性中心暴露出來；且制得的Fe2O3-ZnO/SiO2保持較大的比表面積，孔體積、孔徑也有所增加，這就增大了異戊醇分子進入催化劑內(nèi)部與更多活性中心接觸的幾率，催化異戊醇轉(zhuǎn)化為異戊酸的數(shù)量增多，酯相應增多，其脫離也變得容易；加之ZnO對于醇類脫氫具有一定的催化作用[24-25]，因而也能促進更多的異戊醇轉(zhuǎn)化為異戊醛，進而被分子氧氧化為異戊酸，最終生成酯。從該表中可以發(fā)現(xiàn)，在6%Fe2O3/SiO2上引入4%的ZnO，所制得的6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2其催化性能反而高于4%Fe2O3-4%ZnO/SiO2的催化性能，這可能是因為前者中Fe2O3的負載量多于后者，在經(jīng)ZnO提高分散度后有更多的Fe2O3成為活性中心所致。對比6%Fe2O3與6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2的催化性能，變化最為明顯，F(xiàn)e2O3晶粒分散度提高，保持較大的比表面積，孔體積、孔徑的增大(見表1及圖3)以及引入了另一脫氫活性組分ZnO都是6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2催化性能提高的原因。

2.3 異戊酸異戊酯合成機理的初步探討

選用催化性能最好的6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2探討以分子氧為氧化劑時Fe2O3-ZnO/SiO2催化劑催化氧化異戊醇一步合成異戊酸異戊酯機理，在同樣的氧氣流量、反應溫度及時間條件下做了以下對比試驗，試驗a：加入6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2催化劑，不通入氧氣；試驗b：不加入任何催化劑，通入氧氣；試驗c：加入 6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2催化劑，通入氧氣，反應結(jié)果見表3。從表3中a、b可以看出，催化劑與氧氣不是同時存在的情況下，不管是異戊醇轉(zhuǎn)化率(X)，還是異戊酸異戊酯收率(Y)都很低。a中，只有催化劑不通入氧氣時，醇轉(zhuǎn)化率較高，酯收率較低，其中異戊醚收率(Y3)高于其它產(chǎn)物，這說明6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2具有一定的酸性，在沒有氧存在的情況，將醇脫水生成了醚，從而降低了酯收率及選擇性(S)。從b可看出，沒有催化劑只有氧氣時，醇轉(zhuǎn)化率較低，說明單獨只有氧不能很好的氧化醇生成相應的酸，進而生成酯；其中醚收率下降，說明醚的產(chǎn)生主要是由具有酸性的6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2所導致的。從c看出，當兩者都存在時，醇轉(zhuǎn)化率及酯收率均迅速增加，其它中間產(chǎn)物異戊醛收率(Y1)及異戊酸收率 (Y2)也相應增加，這就說明6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2催化劑與氧共同作用提高了氧氣的氧化能力，而氧的存在則抑制了醇向醚的轉(zhuǎn)化，能將更多的醇深度氧化為酸，進而生成酯。從以上對比試驗可知，6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2催化劑只有與分子氧共同作用下才能更好的將醇合成酯。

表3 對比試驗Table 3 Contrast experiments

圖5為反應溫度對6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2催化劑催化氧化異戊醇一步合成異戊酸異戊酯的影響。從圖中可以明顯看出，120～125℃為最佳反應溫度區(qū)間，此時異戊醇轉(zhuǎn)化率、異戊酸異戊酯收率、選擇性均達到最大。溫度低于115℃時，隨著溫度的升高，異戊醛收率呈現(xiàn)下降趨勢，隨之變化的是，異戊酸收率及異戊酸異戊酯收率的增加，這就說明溫度的升高有利于醛進一步氧化為酸并最終生成酯。115℃時出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)折點，此時酯的收率首次超過醛和酸的收率，之后迅速增加直至120℃時達到最大；酸收率在此時也達到最大，之后便與醛收率共同逐漸降低，這就說明115℃后催化劑已進入了活化溫度范圍內(nèi)，催化劑與分子氧共同作用下很好的將醇轉(zhuǎn)變?yōu)樗幔⑸甚ァ?25℃后醇轉(zhuǎn)化率下降較快，是因為此時反應溫度已快接近異戊醇沸點(131℃)，大量醇被從反應體系中帶出，進入冷凝回流及分水系統(tǒng)，雖然經(jīng)過不斷回流回到反應體系中，但是這使得相同時間內(nèi)參與反應的醇量減少了，從而降低了酯的收率及選擇性[26]。溫度較低時醚收率也較低，但隨著溫度升高醚收率呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，且在120℃后快速增長，這也導致了酯收率及選擇性不斷降低。

從以上對比試驗及反應溫度對合成的影響可以初步得出異戊醇一步合成異戊酸異戊酯的反應機理為：

異戊醇在分子氧的氧化下生成異戊醛：

其中，6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2催化劑所具有的脫氫能力也使得更多的異戊醇轉(zhuǎn)變?yōu)楫愇烊?，進而能被分子氧氧化為異戊酸，最終與異戊醇酯化為異戊酸異戊酯。

3 結(jié) 論

采用浸漬法制作了系列Fe2O3-ZnO/SiO2催化劑，對其進行了XRD、BET、SEM表征，研究了該系列催化劑對異戊醇一步合成異戊酸異戊酯的催化性能，并對以分子氧為氧化劑時該合成的機理進行了探討，得出了以下結(jié)論：焙燒溫度為500℃時，ZnO高度分散于SiO2載體表面以及孔道之中，呈現(xiàn)單層分散現(xiàn)象，將其引入到Fe2O3/SiO2后提高了Fe2O3在SiO2的分散度，減小了Fe2O3粒徑，使得更多的Fe2O3暴露出來成為活性中心；引入ZnO后的Fe2O3/SiO2保持了較大的比表面積，且孔體積、孔徑得到增大，其孔主要為介孔，該介孔對于Fe2O3-ZnO/SiO2催化劑具有較好的催化性能有重要貢獻；Fe2O3與ZnO的協(xié)同作用增強了Fe2O3-ZnO/SiO2催化性能，其中以6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2催化劑催化性能最好；Fe2O3-ZnO/SiO2催化劑只有與分子氧共同作用下才能更好的將異戊醇一步合成異戊酸異戊酯；從機理研究中發(fā)現(xiàn)反應過程中還存在部分的異戊酸并未與異戊醇酯化，這就需要在之后的研究中，通過某種方法適當增大催化劑的酸性，以提高其酯化能力，進而提高異戊酸異戊酯的選擇性。

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Catalytic Oxidation of Isoamyl Alcohol to Isoamyl Isovalerate Directly on Fe2O3-ZnO/SiO2

ZHANG YiZHAO Bin-Xia＊ZHANG Xiao-LiGAO Hu-FeiZHANG Yao-Zhong
(School of Chemical Engineering,Northwest University,Xi′an 710069,China)

A series of Fe2O3-ZnO/SiO2catalysts with different Fe2O3and ZnO loading was prepared by impregnation method.The catalyst samples were characterized by XRD,BET,and SEM techniques.It is reported that the catalytic performance of Fe2O3-ZnO/SiO2catalysts for the direct synthesis of isoamyl isovalerate from isoamyl alcohol with dioxygen.The reaction mechanism of synthesis was also explored.The result indicates that the dispersion of Fe2O3on the SiO2was enhanced and the particle size of Fe2O3was reduced after the ZnO had been introduced into the catalyst.The Fe2O3-ZnO/SiO2catalysts had big Specific surface area,Mesopore volume and Mean pore diameter,which had the better catalytic performance than the Fe2O3/SiO2.Thereinto,The 6%Fe2O3-4%ZnO/SiO2catalyst exhibited the best catalytic performance,the selectivity and yield of isoamyl isovalerate up to 54.5%,31.4%respectively were achieved due to the cooperation between Fe2O3and ZnO.The reaction condition was listed as follows at atmospheric pressure:catalyst dosage was 0.9 g,reaction temperature was 120℃,and reaction time was 9 h.As to the reaction mechanism,the isoamyl alcohol can transform into isoamyl isovalerate efficiently only if the catalyst cooperates with the dioxygen.

isoamyl alcohol;isoamyl isovalerate;ferric oxide;zinc oxide;silica;dioxygen

O643

A

1001-4861(2012)11-2347-08

2011-12-21。收修改稿日期：2012-03-04。

陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)培育基金(No.07JC19)資助項目。＊

。 E-mail：zxlbx@china.com