摘要
催化反应是化学工程领域的重要分支，催化反应中催化剂可根据物相分为均相与非均相催化剂，其中均相催化剂在反应体系中具有更高的反应活性与选择性，但存在催化剂难以分离和重复使用的问题，这不仅不利于工业化应用，同时还造成了环境污染。为了克服这一难题，研究者们致力于开发各种可实现分离回收目的的非均相催化剂。氧化石墨烯(GO)具有高比表面积、高导电性、可调控性和稳定的碳骨架等特点，近年来在非均相催化领域得到了广泛关注和研究。本论文制备酸碱共修饰的氧化石墨烯，针对于合成α-氰基肉桂酸乙酯提出了新的设计思路。此外，为了解决氧化石墨烯基非均相催化剂在乙酸乙酯等极性较弱的非质子性溶剂中分散度差导致的催化性能较低的问题，本论文提出一种膜式反应器，反应物可在氧化石墨烯膜层间反应，并研究了膜式反应器对化学反应的影响。具体研究内容如下: (1)采用后修饰的方法，制备氨基和羧基共修饰的氧化石墨烯，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)等方法对其结构进行分析与表征，并将其用于一锅法催化苯甲醛二甲基缩醛的水解和氰乙酸乙酯与苯甲醛的Knoevenagel缩合反应。研究结果表明该酸碱双功能修饰的氧化石墨烯对水解-Knoevenagel串联反应有较高的催化活性，并在循环催化五次之后，仍保持较高催化活性。 (2)使用不同的含氮基团修饰氧化石墨烯，并采用真空抽滤法制备氧化石墨烯基膜式反应器。在微型过滤装置中，反应液在压差的驱动下定向流动并通过氧化石墨烯薄膜，使反应物在膜间完成催化反应，随后产物随溶剂流出。这种膜式反应器在催化过程中通过限制分子的取向，增加了有效碰撞几率，从而提高了反应速率，同时避免了由于范德华作用导致的GO催化剂出现团聚现象，提高了催化位点的利用率。此外也可以及时的将产物与反应体系分离，减少副反应的发生。本文以丙二腈和水杨醛的Knoevenagel缩合反应为例，通过调整氧化石墨烯上不同的修饰基团、修饰用量以及催化剂的用量，展示了该层间纳米限域反应相对于体相反应的优势，拓宽了氧化石墨烯基膜式催化剂在有机合成中的应用。
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