1、A New Form of Nafion Perfluorosulfonic Acid Resin Fabrication of Nafion Nano-Particles in Porous Silica and Its Application as Solid Catalyst Xu Boqing, Qiu Xianqing, Zhu Qiming (State Key Lab of C1 Chemical Technology and Department of Chemistry Tsinghua University, Beijing 100084) Abstract This re
2、view article discusses briefly the advantage and disadvantage, in comparison with the industrial Amberlyst-15 resin and other acid catalysts, of the conventional Nafion acid resin catalyst. A new form of the Nafion acid resin catalyst is described as a composite of nanometer sized Nafion resin parti
3、cles fabricated in highly porous silica. Preparation and catalytic characteristics of this kind of organic/inorganic nano-composites as strong solid acid catalyst are reviewed. Keywords Nafion, acid catalyst, environmental catalysis, organic/inorganic composite, porous silica 摘要 Nafion 作为环境无害绿色（超）强酸
4、固体催化剂对许多重要的工业化学反应具有很好的选择催化作用。然而，普通 Nafion 催化剂呈致密无孔状态、重量比活性低，难以获得工业应用。本文对近年发明的一类新形态高分散 Nafion 固体强酸，多孔氧化硅组装纳米 Nafion 酸催化剂的制备、结构特点及其催化，应用进行了综述。多种催化反应结果表明这种组装式纳米 Nafion 催化剂具有很高的酸催化活性，可望在较低温条件下应用于许多有机合成反应。 关键词 全氟磺酸树脂 酸催化剂 环境催化 纳米复合物 多孔氧化硅 新形态全氟磺 酸树脂 氧化硅组装纳米 Nafion 固体酸制备及催化应用 徐柏庆 邱显清 朱起明 (清华大学化学系一碳化工国家重点实
5、验室 北京 100084) 90 年代以来，人们对健康、安全和生存环境的进一步忧虑，使得化工生产中许多传统的酸催化工艺成为不可持续发展的技术。研究和开发环境无害绿色固体酸催化剂及其工艺正在成为国内外化学化工科研的热点方向。一些重要的液相工业化学反应，如石油化工和有机合成中的烷基化、异构化、酯化等，长期以来一直使用 H2SO4， HF， AlCl3或 BCl3等液体强酸进行工业生产。寻找和开发 能够替代这些有害强酸的新型固体酸催化剂势在必行 1-4。酸性离子交换树脂，如二乙烯基苯交联磺酸化聚苯乙烯（ Amberlyst-15），全氟磺酸树脂（ Nafion）等是一类很有应用潜力的有机固体酸催化材
6、料。在诸如烯烃的水合、甲醇和异丁烯的醚化等多个工业催化过程中， Amberlyst-15（表面积 45 m2/g）早已成为广为使用的工业催化剂确 5。然而 Amberlyst-15由于热稳定性不高（ 99.0 9.2 69.8 100 反 -丁烯 -2 - 63.6 17.1 - 顺 -丁烯 -2 1.0 27.2 13.1 - 反应条件： 50 ；常压；丁烯 -1空速 2.5h-1;原料以 He为载气， He/丁烯 -1 1.2/1.0 普通致密无孔 Nafion树脂本身在 50 100 范围内可以有选择地催化生成丁烯 2 的反应，但由于比表面太低，催化剂活性远不理想。最近 UOP 研究人员
7、应用 Nafion/SiO2复合催化剂取得了很好的结果 11。反应在 50 、丁烯 1空速 (MHSV）， 2h-1和常压条件下进行，可得到达成热力学平衡的丁烯混合物，其中丁烯 2 含量为 96。当反应温度提高到 100 时，由副反应导致生成的骨架异构 (生成异丁烯 )和齐聚产物随反应时间快速减少，而且连续 12小时反应未见有催化剂失活。表 2比较了 Nafion/SiO2与普通 Nafion 和 Amberlyst-15树脂在50 、丁烯 1空速为 2.5h-1时的催化作用效果。无定型 SiO2-Al2O3在所选用的反应条件下，不具有催化活性，在反应温度升高到 100 时也只有 5的丁烯 1
8、转化。 HZSM 5具有很高的初活性，但反应仅 20 30分钟就足以使 HZSM 5失去活性。纳米复合物 Nafion/SiO2催化剂的酸量只有普通致密无孔 Nafion的 1/7，但活性却是后者的 100倍。可见将纳米尺度的 Nafion 组装到多孔氧化硅中，大大地提高了 Nafion中酸中心的利用率，提高了 Nafion的催化活性。 Amberlyst-15虽然拥有比 Nafion/SiO2多 40倍的酸性中心，但活性只有后者的 1/3。 3.2 芳烃的烷基化反应 芳烃与烯烃或醇类的烷基化是一类重要的工业化学反应。现阶段多数烷基苯生产过程使用 AlCl3， BF3(如乙苯生产 )或固体磷酸
9、 (如异丙苯生产 )催化剂，此类传统催化工艺具有设备腐蚀和排放 污染等环境和生态问题。现阶段以沸石分子筛为催化剂的固体酸新工艺正在逐步取代这些环境有害的催化工艺。然而后一类工艺往往要在相对高温的条件下进行，随之也出现了目的产物选择性下降和工艺能耗高等问题。 使用 Nafion/SiO2为催化剂进行苯 -丙烯烷基化合成异丙苯可以在常温附近进行（表 3）。在 60 ，液固反应条件下， Nafion/SiO2的重量比活性是未组装普通 Nafion 的 7倍，是 Amberlyst-15 催化剂的 3倍。如果折算成单位活性中心（ -SO3H）的活性 (即转换速度 )， Nafion/SiO2的活性 是
10、未组装 Nafion 的 50倍，是 Amberlyst-15催化剂的 120 倍 9。由于反应在接近常温的低温下进行，可以有效避免高温下存在的副反应（如生成多烷基苯）。在甲苯与庚烯，二甲苯醚与十二碳烯的烷基化反应中， Nafion/SiO2复合催化剂同样具有非常高的催化活性，是未组装 Nafion 的 20 100 倍 9。 对于以对 -甲基苯甲醇为烷基化试剂的苯和对 -二甲苯的苄基化反应，纳米组装的 Nafion/SiO2复合物催化剂表现出优于三氟甲烷磺酸（最强的单组分液体酸， H0=-14）催化剂的、极高的催化活性（ 表 4）。对于此类液相反应，通常的 Amberlyst-15和对 -甲
11、基苯磺酸催化剂在表 4所用的反应条件下 (80 100)基本不具有催化活性 12。此项工作还发现，如果能在反应中将 N2流过催化反应器，将所生成的副产物水分子赶出反应系统，有关的苄基化反应可以进行到底（ 100消耗烷基化试剂对 -甲基苯甲醇）。 表 3 液相 (60) 条件下磺酸树脂固体酸催化苯 -丙烯烷基化合成异丙苯反应的速度 催化剂 Amberlyst-15 13% Nafion/SiO2 Nafion 酸量， mmol/g 4.40 0.12 0.89 重量比速度， mmol/(g-cath) 0.61 1.98 0.30 转换速度， mmol/(mmol-H+h) 0.14 16.50
12、 0.34 表 4 各种磺酸催化剂作用下芳烃的苄基化反应速度 催化剂 80 苯的苄基化反应 * 100 对 -二甲苯的苄基化反应 * 重量比速度，mmol/(g-cat.h) 转换速度 , mmol/(mmolH+.h) 重量比速度 , mmol/(g-cat.h) 转换速度 , mmol/(mmolH+.h) Nafion 11.6 13.0 41.9 47.0 13%Nafion/SiO2 103.0 1030.0 178.0 1780.0 Amberlyst-15 3.3 0.8 0.9 0.2 对 -甲基苯磺酸 2.7 0.5 6.4 1.2 三氟甲烷磺酸 580.0 87.0 403
13、0.0 606.0 * 催化剂 /苄醇 /苯 2.0/7.5/75 克 ; * 催化剂 /苄醇 /对 -二甲苯 0.5/7.5/75克 3.3 -甲基苯乙烯的双聚反应 -甲基苯乙烯（ AMS）的双聚反应产物，如 2,4二苯基 -4-甲基 -1-戊烯等，是重要的化工原料，有的在高分子聚合物生产中用作链转移试剂，有的在电子工业中用作无机粉体的液体介质。工业上 -甲基苯乙烯的双聚反应使用 AlCl3或其它无机酸作催化剂，也是环境有害催化工艺。最近的研究表明，在异丙苯溶剂中使用 Nafion/SiO2作催化剂， AMS 在 0 的转化率达到 93，双聚产物中 2,4-二苯基 -4-甲基 -1-戊烯的选
14、择性高达 92。当反应温度增加到 50 时，其它双聚异构体的含量增加， 2,4-二苯基 -4-甲基 -1-戊烯的选择性降到 50 60。在这类反应体系中，双聚反应对 AMS表现为一级反应 10。表 5 列出了组装到氧化硅孔中的纳米 Nafion 催化剂在分别以异丙苯和对 -甲基苯酚为溶剂时催化 AMS 双聚反应的转换速度。在异丙苯为溶剂，磺酸树脂为催化剂的多相反应体系中，Nafion/SiO2表现出最高的催化活性，比普通 Nafion 催化剂高出了三个数量级（ 1000 倍）。在以对甲基苯酚为溶剂的反应体系中，普通致密无孔 Nafion 本身因溶剂的膨化效应增加了可被反应物分子接近的酸中心的数
15、目，活性有一定程度的提高。而纳米组装 Nafion 催化剂的活性与异丙苯为溶剂时的活性基本持平。这种结果 说明，组装式 Nafion 催化剂中酸性活性中心的暴露程度并没有因使用膨化溶剂而明显增加；从而证实了反应物分子对组装 Nafion 催化剂中酸中心的高度可接近性。 表 5 50 反应条件下 AMS 双聚反应速率常数 催化剂 异丙苯溶剂，(mmol-H+h) -1 对 -甲基苯酚溶剂，(mmol-H+h) -1 酸度， (mmol/g-cat) Nafion 0.1 2.3 0.89 13%Nafion/SiO2 110.1 106.8 0.14 Amberlyst-15 0.6 0.3 4
16、.30 2%Nafion/C a 3.9 4.9 0.02 冰醋酸 b 0 6.67 三氟醋酸 b 1.0 8.77 对 -甲基苯磺酸 b 1200 5.26 三氟甲烷磺酸 c 15000 6.67 a. 杜邦公司的一种以碳为载体的表面分散型 Nafion(2%)催化剂，其表面积为 1m2/g，平均孔径为 100nm。 b. 这些液体有机酸不能在异丙苯中溶解，因而没有催化活性。 c. 三氟甲烷磺酸在异丙苯中溶解度很小，不便计算催化剂活性。 3.4 其它反应 酸催化的酰化和硝化反应在工业上用于生产精细有机化工产品和某些药物的中间 体。对于这类工业反应，同样需要有绿色清洁固体酸催化剂去取代传统催化
17、工艺中的 HF和 AlCl3催化剂。在酰化和硝化反应体系中， Nafion 通常可被其中的极性物质（酰化剂、硝化剂或反应所生成的产物）不同程度地膨化，如在苯甲酰氯中， Nafion 可膨化 20左右。业已发现 9，在以苯甲酰氯为酰化试剂或以 90 HNO3为硝化试剂的芳烃酰化或硝化反应中， Nafion/SiO2的催化活性均比相应的普通致密无孔 Nafion 催化剂高出数百倍以上。 4 展望 近年来， “ 有机 /无机 ” 或 “ 无机 /有机 ” 纳米复合物在高分子领域 作为一类新型的功能材料正日益受到学术界和工业界两方面的重视 13， 14。目前，这类材料的催化应用并不多见，尚处于起步阶段
18、。 Nafion/SiO2将固体有机物全氟磺酸树脂超强酸 Nafion 以纳米尺度组装分散到多孔氧化硅内部，在维持 Nafion所拥有的强酸性质等特点的同时，大大增大了 Nafion组分的比表面，使得 Nafion结构中的磺酸基活性中心很容易被反应物分子接近。 Nafion/SiO2的酸中心暴露百分数（ 75）比普通致密无孔 Nafion 高出数千倍，在热稳定性和酸强度两方面均优于已获工业应用的聚苯乙烯 磺酸树脂催化剂。 本文所介绍的 Nafion/SiO2的几个催化应用例子，只代表这类新型态固体强酸催化剂在发明初期阶段催化反应研究的初步工作。这些例子清楚地说明这类新型态全氟磺酸树脂催化剂对传
19、统的酸催化反应拥有优良的低温催化性能，可望在有机合成、石油化工、精细化学品和药物中间体合成等反应体系中获得较广泛的应用。可以预料，随着研究和开发的不断深入，组装式纳米 Nafion 固体酸催化剂将很有希望替代传统液体强酸（ H2SO4、 HF等），成为环境友好绿色低温固体强酸催化剂的重要成员。 致谢：本项工作得到 了石化总公司北京石油科学研究院的资助。作者特别感谢两院院士闵恩泽先生对本项研究工作的支持和指导。 5 参考文献 1 Cusmano, J.A., CHEMTECH, 22, 482 (1992). 2 Hlderich, W.F., Proc. 10th Int. Conf. Cat
20、al., Guczi, L., et al (Eds.), Acadmiai Kiad,Budapest, 1993, Part A, pp.127-164. 3 闵恩泽，化学进展 , 10, 207 (1998). 4 吴越，化学进展 , 10, 158 (1998). 5 Chakrabarti, A., Sharma, M. M., React. Polym., 20, 1 (1993). 6 Olah, G.A., Prakash, G.K.S., Sommer, J., Science, 206, 13 (1979). 7 Olah, G.A., S. I. PradeepS.I.,
21、 Prakash,G.K.S., Synthesis， 513 (1986). 8 Waller, F.J., van Scoyoc, R.W., CHEMTECH, 17, 438 (1987). 9 Harmer, M.A., Farneth, W.E., and Sun,Q., J. Am. Chem. Soc., 118, 7708 (1996) 10 Sun,Q., Farneth, W.E., Harmer, M.A., J. Catal., 164, 62 (1996). 11 Sun, Q., Harmer, M.A., Farneth, W.E., Chem. Commun.
22、, 1202 (1996) 12 Sun,Q., Farneth, W.E., Harmer, Ind. Eng. Chem. Res., 36, 5541 (1997). 13 Mauritz, K.A., Stefanithis, I.D., Davis, S.V., et al., J. Appl. Polym. Sci., 55, 181 (1995). 14 Wieland, S., Auer, E., Freund, A., et al, in “Catalysis of Organic Reactions“ (Maly, R.E., Ed.), Vol.68, Marcel Dekker, New York, 1996, p.277. 徐柏庆 38 岁，清华大学教授、博士生导师； 研究方向：多相催化、沸石化学 98-11-25 收稿， 99-04-21 修回
