磁性殼聚糖負(fù)載多金屬氧酸鹽及其催化氧化四氫噻吩的性能

劉葉峰， 呂 迎， 李瑞琪， 左 鵬， 王蕊欣

（中北大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院， 太原 030051）

燃油是目前人類應(yīng)用最廣、用量最大的能源，然而燃油中含硫化合物的燃燒會(huì)產(chǎn)生硫氧化物，其中最主要的SOx會(huì)導(dǎo)致酸雨、環(huán)境酸化、霧霾的形成，此外還會(huì)破壞發(fā)動(dòng)機(jī)部件、增加顆粒物的排放、加重環(huán)境污染、危害人類健康和生存環(huán)境[1-3]。目前實(shí)現(xiàn)高效、綠色、安全深度脫硫已成為關(guān)注焦點(diǎn)?，F(xiàn)有的脫硫方法主要有吸附法[4]、萃取法[5]、催化氧化法[6,7]等，其中氧化脫硫因其反應(yīng)條件溫和、高活性、高選擇性、低成本等優(yōu)勢(shì)是最具前景的脫硫方法之一[8-11]。

多金屬氧酸鹽（POM）是由早期過(guò)渡金屬M(fèi)Ox通過(guò)共角、共面和共邊組裝而成的多金屬氧配合簇，擁有豐富的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組成，表現(xiàn)出多樣的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)（強(qiáng)酸性、氧化性、光電催化等），并且還具有低溫高活性以及無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)揮發(fā)性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于催化、醫(yī)學(xué)、材料化學(xué)等領(lǐng)域[12-15]。近年來(lái)，POM獨(dú)特的催化氧化性能備受關(guān)注；但POM作為均相催化劑，存在比表面積小、分離回收困難等缺點(diǎn)，因此選擇合適的載體負(fù)載POM至關(guān)重要。目前常用的載體有大孔樹脂、碳納米管、石墨碳、介孔分子篩（SBA-15）、磁性二氧化硅球等[16-18]。Luo 等[16]制備了功能化氨基改性介孔氧化硅負(fù)載型多酸催化劑；Gao等[17]利用浸漬法將POM負(fù)載到碳納米管的通道中，制備的催化劑能使二苯并噻吩的轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.4%；Ribeiro等[10]利用浸漬法制得了磷鎢酸@介孔分子篩復(fù)合材料，該催化劑在無(wú)乙腈的情況下也具有較高的氧化脫硫性能。

本文以POM對(duì)外表面包裹有殼聚糖（CS）的磁性納米粒子Fe3O4@CS進(jìn)行表面修飾，制得非均相化催化劑Fe3O4@CS@POM，并將其用于過(guò)氧化氫（H2O2）氧化四氫噻吩（THT）的催化過(guò)程。所制備的Fe3O4@CS@POM不但具有高催化活性，還同時(shí)具有有機(jī)修飾磁性Fe3O4微球分散性和穩(wěn)定性良好的優(yōu)點(diǎn)，其分離和回收使用也極其便利。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

磷鎢酸（H3PW12O40·xH2O，簡(jiǎn)稱 PW12）：分析純，上海麥克林生化科技有限公司；Dawson 型磷鎢酸（K6[α-P2W18O62]·14H2O，簡(jiǎn)稱 P2W18）和（K10[α-P2W17O61]·20H2O，簡(jiǎn)稱 P2W17）依據(jù)文獻(xiàn) [19, 20]制備；磁性殼聚糖（Fe3O4@CS）微球依據(jù)文獻(xiàn)[21]制備；THT：分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；其他化學(xué)藥品和試劑均為市售分析純。

傅里葉紅外光譜（FT-IR）儀：英國(guó)，LIantrisant，L1600300 Spectrum Two LITa 型；紫外-可見（UV-Vis）分光光度計(jì)：上海尤尼柯公司，2802型；元素分析（EA）儀：青島華青集團(tuán)有限公司，PE2400 Series Ⅱ CHNS/O型；掃描透射電子顯微鏡（TEM）：美國(guó)，F(xiàn)EI Talos F200S型；激光粒度儀（DLS）：德國(guó)馬爾文公司，Zeta sizer NanoZS型；高效液相色譜（HPLC）儀：北京溫分分析儀器技術(shù)開發(fā)有限公司，LC98-I型；X射線能譜分析（EDS）儀：美國(guó)，F(xiàn)EI Super-X型。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 磁性殼聚糖負(fù)載化多金屬氧酸鹽 Fe3O4@CS微球上負(fù)載POM：將0.3 g Fe3O4@CS微球加入到30 mL去離子水中，形成A液；將0.6 g PW12（或P2W17、P2W18）溶于15 mL去離子水中，構(gòu)成B液。將B液緩慢滴加入A液中，室溫?cái)嚢?2 h后停止反應(yīng)，以去離子水和無(wú)水乙醇依次洗滌，磁分離、干燥得磁性殼聚糖負(fù)載化POM 催化劑 Fe3O4@CS@POM（POM=PW12、P2W17或 P2W18）。

1.2.2 Fe3O4@CS@POM催化氧化THT 常壓下，以H2O2為氧化劑，將Fe3O4@CS@POM固體催化劑用于THT的催化氧化。將 25.0 μL THT和0.01 g Fe3O4@CS@POM微球分散于5.0 mL乙腈（ACN）中，加入w =30%的H2O2溶液 100 μL ，在25 ℃、100 r/min下恒溫振蕩105 min，每間隔一段時(shí)間取出100 μL溶液溶于4 mL ACN中進(jìn)行HPLC測(cè)試。HPLC的測(cè)試條件為：C18反相色譜柱（200 mm×4.6 mm×5 μm），以ACN和去離子水為流動(dòng)相，0～3 min，/= 20/80；3～12 min，/= 60/40，然后運(yùn)行 5 min；流速1.0 mL/min；進(jìn)樣量20 μL；柱溫為25 ℃；檢測(cè)波長(zhǎng)為210 nm。在此條件下，催化體系中H2O2、環(huán)丁亞砜（THTO）和THT的出峰時(shí)間分別是3.1、3.4 min和18.4 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 非均相催化劑Fe3O4@CS@POM的制備過(guò)程

通過(guò)微球Fe3O4@CS上外表面包裹的CS上的氨基與POM陰離子之間的靜電相互作用，制得表面負(fù)載POM的磁性微球Fe3O4@CS@POM。圖1所示為Fe3O4@CS@PW12微球的制備過(guò)程。

圖1 磁性微球Fe3O4@CS@PW12的制備過(guò)程Fig. 1 Preparation process of Fe3O4@CS@PW12 magnetic microspheres

2.2 Fe3O4@CS@POM的結(jié)構(gòu)及形貌研究

2.2.1 TEM表征 圖2為磁性微球Fe3O4@CS@PW12的TEM照片、EDS以及DLS圖譜。由圖2（a）可知Fe3O4@CS@PW12微球直徑約2 μm，且分散良好。從圖2（b，c）中單個(gè)小球放大后的圖像可看出，微球是由磁性核和厚度為20～30 nm的半透明殼層組成的核殼結(jié)構(gòu)。圖2（d）顯示Fe3O4的粒徑只有326 nm，在包裹了CS并負(fù)載磷鎢酸形成Fe3O4@CS@PW12后，其粒徑明顯變大約1 μm，略小于TEM的結(jié)果，這可能是由于DLS測(cè)試時(shí)，粒徑較大的球不能穩(wěn)定懸浮于溶液中所致。圖2（e）的EDS能譜圖中顯示C、O、N、Fe、P、W元素的存在，這說(shuō)明Fe3O4@CS磁性微球上的確負(fù)載了PW12。

圖2 Fe3O4@CS@PW1的（a,b,c）TEM 圖，（d）DLS 和（e）EDS 譜圖Fig. 2 (a,b,c)TEM images，(d)DLS and(e) EDS spectra of Fe3O4@CS@PW12

2.2.2 光譜分析 圖3為磁性微球Fe3O4@CS@PW12的紅外光譜圖。PW12的譜圖中，在1 076～1 088 cm-1、941～979 、880～893 cm-1和 731～782 cm-1處分別出現(xiàn)了 P-Oa、W=Od、W-Ob-W 和 W-Oc-W（Oa是與雜原子配位的四面體氧，Ob和Oc表示共享一個(gè)角和一個(gè)邊的兩個(gè)八面體的橋接氧原子,Od是每個(gè)八面體上的非共用氧）的特征吸收峰。在Fe3O4@CS的譜圖中，2 938 cm-1及2 863 cm-1處的峰分別歸屬于CS上的-CH2和-CH3的伸縮振動(dòng)和搖擺振動(dòng)，1 653 cm-1處的峰為CS上的氨基與戊二醛的醛基Shiff反應(yīng)產(chǎn)生的C=N鍵的特征吸收峰。而在Fe3O4@CS@PW12的譜圖中，除了保留Fe3O4@CS在2 938、2 863 cm-1和1 653 cm-1處的特征吸收峰外，還在700～1 100 cm-1出現(xiàn)了PW12的特征吸收峰，且與純PW12相比，由于靜電相互作用使各吸收峰發(fā)生了不同程度的位移，這些吸收峰的出現(xiàn)及變化證明成功制備了Fe3O4@CS@PW12磁性非均相催化劑。

圖4為磁性微球Fe3O4@CS@PW12的UV-Vis譜圖。在PW12的吸收光譜圖上，分別出現(xiàn)了3個(gè)吸收峰，在λ=208 nm處出現(xiàn)了端基氧Od→W特征荷移躍遷引起的峰，在λ=273 nm和λ=329 nm處出現(xiàn)了由W-Ob/c（橋氧）-W特征荷移躍遷引起的峰[22]，在新制備的磁性微球Fe3O4@CS@PW12的吸收光譜圖中，其特征吸收峰與PW12的特征吸收峰基本一致，這說(shuō)明了PW12成功負(fù)載在Fe3O4@CS微球上，且負(fù)載后磷鎢酸的結(jié)構(gòu)仍然保持不變。

圖3 樣品的紅外光譜圖Fig. 3 FT-IR spectra of samples

圖4 樣品的UV-Vis譜圖Fig. 4 UV-Vis spectra of samples

2.3 Fe3O4@CS@POM催化氧化THT的性能研究

2.3.1 不同催化體系催化性能的比較 圖5（a）示出了常溫常壓下不同催化體系催化氧化THT的性能，其中催化劑用量為0.01 g、H2O2用量為100 μL。由圖5（a）可知，只有Fe3O4@CS@PW12而無(wú)H2O2時(shí)，THT的轉(zhuǎn)化率為34.56%。

由圖5（b）的HPLC圖可知，在THT中只加入Fe3O4@CS@PW12后，與初始的THT相比，THT的峰面積變小，然而體系中并未加入THT發(fā)生氧化所需的氧源，因此推測(cè)THT不能被氧化，且HPLC圖中并未出現(xiàn)任何氧化產(chǎn)物峰，這說(shuō)明溶液中THT的減少并非它本身被催化劑氧化，而可能是被吸附到了Fe3O4@CS@PW12上。

從圖5（c）所示的THT氧化產(chǎn)物THTO的產(chǎn)率隨時(shí)間的變化曲線可知，在THT中加入Fe3O4@CS@PW12后并沒(méi)有THTO生成，進(jìn)一步說(shuō)明溶液中THT的減少是由于Fe3O4@CS@PW12對(duì)THT的吸附引起的，并未發(fā)生氧化反應(yīng)，即加入Fe3O4@CS@PW12后THT所顯示出的轉(zhuǎn)化率是由Fe3O4@CS@PW12對(duì)THT的吸附引起的。

圖5（a）顯示，在純H2O2和Fe3O4@CS+H2O2的體系中，THT的轉(zhuǎn)化率分別為28.86%和52.91%，其中Fe3O4@CS+H2O2體系中THT的轉(zhuǎn)化率大于純H2O2體系的相應(yīng)值，推測(cè)其原因可能是Fe3O4@CS作為載體，其表面的CS對(duì)THT有一定的吸附能力，并為H2O2氧化THT提供了良好接觸微環(huán)境，使氧化過(guò)程能夠較好地進(jìn)行。而在同時(shí)含有催化劑和雙氧水的體系中，THT的轉(zhuǎn)化率明顯提高，F(xiàn)e3O4@CS@PW12+H2O2體系與PW12+H2O2體系相比，前者對(duì)THT的催化氧化效果更好，THT的轉(zhuǎn)化率更高，75 min時(shí)THT的轉(zhuǎn)化率可高達(dá)98.25%，105 min時(shí)達(dá)100%，且THTO是唯一產(chǎn)物，因此選擇性達(dá)100%（如圖5（d）的HPLC譜圖所示）。

根據(jù)公式（1）對(duì)圖5（a）的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合，結(jié)果如圖5（e）所示。

式中，k為速率常數(shù)，c0為THT的初始濃度，ct為t時(shí)刻THT的濃度。

由圖5（e）可知，F(xiàn)e3O4@CS@PW12催化氧化THT符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，與文獻(xiàn)[23]報(bào)道一致，且其動(dòng)力學(xué)常數(shù)（0.044 2 min-1）最大，是PW12的動(dòng)力學(xué)常數(shù)（0.020 5 min-1）2.16倍，是載體Fe3O4@CS相應(yīng)值的22.1倍，證明了Fe3O4@CS@PW12非均相催化劑在THT氧化中的催化活性源于PW12簇。

圖5 （a）不同體系催化氧化THT的動(dòng)力學(xué)曲線；（b）THT溶液中分別加入Fe3O4@CS@PW12和Fe3O4@CS的HPLC圖；（c）THT的氧化產(chǎn)物THTO的產(chǎn)率隨時(shí)間的變化曲線；（d）Fe3O4@CS@PW12催化THT氧化過(guò)程的HPLC圖；（e）不同體系催化氧化THT的轉(zhuǎn)化率的擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)曲線；（f）Fe3O4@CS@PW12及去除催化劑后催化氧化THT的效果圖Fig. 5 （a）Kinetic curves of catalytic oxidation of THT in different systems（b）HPLC chromatogram of THT added with Fe3O4@CS@PW12 and Fe3O4@CS, respectively ;（c）Changing curves of THTO yield with time ;（d）HPLC chromatogram of the oxidation process of THT catalyzed by Fe3O4@CS@PW12 ;（e）Pseudo-first-order kinetic curves of the conversion rates of THT catalyzed by different systems ;（f） Oxidation of THT catalyzed by Fe3O4@CS@PW12 and catalyst removal

為了證實(shí)非均相催化劑Fe3O4@CS@PW12的非均相本質(zhì)，我們進(jìn)行了催化劑分離實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5（f）所示。首先，用0.005 g Fe3O4@CS@PW12按照如上的催化過(guò)程，按一定時(shí)間間隔取樣，采用HPLC對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到57.53%時(shí)，將體系中的Fe3O4@CS@PW12催化劑磁分離掉，剩余反應(yīng)液保持原反應(yīng)條件繼續(xù)反應(yīng)，用HPLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程，其轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線如圖5（f）所示。圖中方塊圖標(biāo)代表正常的催化反應(yīng)，當(dāng)t=165 min 時(shí)THT的轉(zhuǎn)化率達(dá)84.99%；圓球圖標(biāo)代表催化劑磁分離測(cè)試的數(shù)據(jù)，可以看出，取出催化劑后，40 min 后THT的轉(zhuǎn)化率不再升高，基本保持不變。該磁分離實(shí)驗(yàn)證實(shí)，F(xiàn)e3O4@CS@PW12催化劑是作為非均相催化劑催化THT氧化反應(yīng)的，此外，該催化劑在使用過(guò)程中沒(méi)有Keggin型PW12的脫落，即催化劑結(jié)構(gòu)在催化過(guò)程中保持完整。

此外，載體也顯示出了一定的環(huán)境效應(yīng)，對(duì)脫硫性能的提高起著重要的作用。由于CS在Fe3O4磁性核的外表面包裹，則與CS發(fā)生靜電相互作用的PW12催化活性位點(diǎn)也暴露于外表面，因此對(duì)溶液中的底物具有良好的可接觸性，且載體對(duì)THT具有良好的吸附性能，這樣被吸附到催化劑表面的THT就能夠立即與其表面的PW12催化活性中心充分接觸，從而很好地發(fā)揮催化作用，表現(xiàn)出強(qiáng)催化活性。其催化氧化機(jī)理與文獻(xiàn)[24, 25]相似，首先催化劑表面的Keggin型磷鎢酸與氧化劑H2O2作用，對(duì)其進(jìn)行活化，H2O2對(duì)磷鎢酸上的WO4八面體構(gòu)型中的W進(jìn)行親核進(jìn)攻，失去一個(gè)水分子，同時(shí)磷鎢酸被氧化為過(guò)氧化多金屬氧簇，然后過(guò)氧化多金屬氧簇將氧原子轉(zhuǎn)移到與之接觸的THT上，THT被氧化為THTO，而過(guò)氧化多金屬氧簇由于失氧又變回多金屬氧簇，進(jìn)行循環(huán)反應(yīng)。Fe3O4@CS@PW12催化氧化THT的機(jī)理如圖6所示。

圖6 Fe3O4@CS@PW12催化H2O2氧化THT的反應(yīng)機(jī)理示意圖Fig. 6 Schematic diagram of reaction mechanism of Fe3O4@CS@PW12 catalytic H2O2 oxidation of THT

2.3.2 負(fù)載不同類型POM催化劑的催化活性 圖7為常溫常壓下Fe3O4@CS@POM催化氧化THT的效果圖。由圖可知，3種催化劑中，F(xiàn)e3O4@CS@PW12的催化氧化效果最佳，反應(yīng)45 min，THT的轉(zhuǎn)化率達(dá)93.69%，105 min達(dá)100%。與Fe3O4@CS@PW12相比，F(xiàn)e3O4@CS@P2W17和Fe3O4@CS@P2W18催化氧化THT的效果較差，反應(yīng)135 min時(shí)THT的轉(zhuǎn)化率分別只有56.12%和58.16%。這與文獻(xiàn)[26]規(guī)律一致，Keggin型較Dawson型磷鎢酸催化氧化脫硫性能好。

2.3.3 影響Fe3O4@CS@PW12催化活性的因素 圖8示出了Fe3O4@CS@PW12不同用量下催化氧化THT的動(dòng)力學(xué)曲線。從圖中可見，隨著催化劑用量增離加，THT的轉(zhuǎn)化率呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)Fe3O4@CS@PW12用量由0.005 g增加到0.01 g時(shí)，THT的轉(zhuǎn)化率提高較明顯，因?yàn)檩^多的催化劑，使催化活性中心數(shù)目增多，能夠?yàn)門HT提供更多與催化劑活性中心接觸的機(jī)會(huì)，催化反應(yīng)速率加快。0.01 g催化劑使THT的轉(zhuǎn)化率達(dá)98.25%需75 min，達(dá)100%只需105 min，與文獻(xiàn)[27]對(duì)比，時(shí)間大幅縮短；然而，繼續(xù)增加催化劑用量，相同時(shí)間THT的轉(zhuǎn)化率反而下降，這與文獻(xiàn)[28]規(guī)律一致。因此，該反應(yīng)體系中Fe3O4@CS@PW12的最佳用量為0.01 g。

圖7 THT轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線Fig. 7 Curves of THT conversion rate with reaction time

圖8 Fe3O4@CS@PW12不同用量時(shí)THT的催化氧化曲線Fig. 8 Catalytic oxidation curves of THT with differentFe3O4@CS@PW12 dosages

圖9示出了不同H2O2用量下Fe3O4@CS@PW12催化氧化THT的曲線。從圖中可以看出，當(dāng)H2O2用量從25 μL增大到100 μL時(shí)，THT轉(zhuǎn)化率也逐漸增大；但當(dāng)H2O2用量超過(guò)100 μL時(shí)，隨H2O2用量增加，THT轉(zhuǎn)化率反而降低，這是由于H2O2用量增加的同時(shí)，H2O的量也相應(yīng)增加，使催化氧化體系中油水兩相的傳質(zhì)阻力變大[29]，同時(shí)因無(wú)效分解造成了H2O2的大量浪費(fèi)，致使THT的轉(zhuǎn)化率下降。

2.3.4 Fe3O4@CS@PW12的重復(fù)使用性 為了進(jìn)一步證實(shí)非均相催化劑Fe3O4@CS@PW12的可重復(fù)使用性，每次使用完將催化劑磁分離，用乙醇多次洗滌，干燥后繼續(xù)投入下次循環(huán)使用，其結(jié)果如圖10所示。從圖中可知，當(dāng)催化劑循環(huán)5次后，其THT轉(zhuǎn)化率仍高達(dá)96%以上。這說(shuō)明所制備的催化劑具有良好的穩(wěn)定性，這對(duì)其工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。

圖9 不同H2O2用量時(shí)Fe3O4@CS@PW12催化氧化THT的曲線Fig. 9 Catalytic oxidation curves of THT by Fe3O4@CS@PW12 under different H2O2 dosages

圖10 Fe3O4@CS@PW12催化氧化THT的重復(fù)使用性Fig. 10 Reusabilities of catalytic oxidation of THT by Fe3O4@CS@PW12

為了考察催化劑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對(duì)循環(huán)5次催化氧化結(jié)束后的催化劑進(jìn)行FT-IR和UV-Vis表征（相應(yīng)的曲線分別示于圖3、圖4）?；厥涨昂蟠呋瘎┑募t外光譜基本一致，仍保留有PW12在1 076 、972、880 、805 cm-1處的特征吸收峰；回收催化劑的UV-Vis光譜中，PW12在208 、273 nm和329 nm處的吸收峰仍保持不變，這都證明催化劑經(jīng)多次循環(huán)使用后，其結(jié)構(gòu)仍完整。

3 結(jié) 論

（1）采用靜電結(jié)合的方式成功制備了負(fù)載POM的磁性微球Fe3O4@CS@PW12、Fe3O4@CS@P2W17和Fe3O4@CS@P2W18。

（2）Fe3O4@CS@PW12的催化效果最好，能夠催化 H2O2高效、高選擇性地氧化 THT為 THTO。Fe3O4@CS@PW12和H2O2的用量對(duì)THT的催化氧化性能有較大影響，兩者的用量過(guò)大或過(guò)小都不利于催化氧化性能的發(fā)揮。常溫常壓下，0.01 g Fe3O4@CS@PW12（PW12的負(fù)載量為57.2%）、100 μL H2O2條件下，105 min便能使25 μL THT的轉(zhuǎn)化率達(dá)100%，氧化產(chǎn)物THTO的選擇性也達(dá)100%。

（3）Fe3O4@CS@PW12經(jīng)5次重復(fù)使用后，催化活性沒(méi)有明顯降低，且催化劑結(jié)構(gòu)保持完整。

（4）催化劑的分離、回收操作簡(jiǎn)單易行，通過(guò)簡(jiǎn)單的磁分離操作即可回收使用，為其工業(yè)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。