CN103736521A

CN103736521A - 一种类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂制备方法及其应用

Info

Publication number: CN103736521A
Application number: CN201410040820.3A
Authority: CN
Inventors: 朱文帅; 吴沛文; 巢艳红; 蒋伟; 荀苏杭; 熊君; 张铭; 李华明
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2034-01-28
Also published as: CN103736521B

Abstract

本发明公开了一种类石墨烯型氮化硼(G-BN)负载离子液体(IL)催化剂，它是以类石墨烯型氮化硼为载体，将离子液体固载到类石墨烯型氮化硼上合成的催化剂；其中，所述的类石墨烯型氮化硼为单层或少层的氮化硼，所述的离子液体为金属基多酸型离子液体，分子式是Q₂[M₆O₁₉]；M是中心原子，为钨或钼；Q是阳离子，为季膦阳离子(I)或季铵阳离子(II)；其中，R₁，R₂，R₃，R₄是直链烷基。本发明催化剂具有硫的脱除效率高，反应时间短，反应体系简单，反应条件温和，不需要加压设备，分离方便，催化剂便于循环使用等优点。

Description

一种类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种催化剂，具体涉及一种以类石墨烯型氮化硼为载体的负载型离子液体的催化剂的制备方法及其用于汽、柴油（燃油）氧化脱硫反应。

背景技术

催化剂的设计与合成一直以来是现代化学研究和工业催化生产的核心。按照催化剂与反应体系的关系分类可将催化剂分成均相催化剂和多相催化剂两种。均相催化剂具有反应活性高，反应条件温和等优点，但是均相催化剂存在回收和循环使用的困难。而多相催化剂虽然是一种易回收分离的催化剂，但是催化活性不高、催化活性中心流失等是多相催化存在的不足。因此寻找一种具有高催化活性，活性中心稳定的多相催化剂是催化剂研究的重点。

燃油中的硫化物燃烧会产生大量的氧硫化合物(SO_x)，SO_x会导致酸雨，PM2.5等，进而对人体和环境产生危害。目前，工业上采用催化加氢脱硫法(HDS)，在高温（>570K）、高压（>50atm）下以Co/Mo、Ni/Mo作催化剂，通过加氢将油品中的硫化合物转化成H₂S从而达到将硫化物脱除的目的，虽然能够有效脱除燃油中的无机硫和部分长碳链有机硫，但对噻吩类硫化物和噻吩衍生物的脱硫效率却很低，通常需要更高的温度和更高的压力等，由此导致投资成本剧增。为此，各国都加大了对其它深度脱硫方法的研究，其中，氧化脱硫法由于反应条件温和等优点被认为是一项非常有前景的脱硫技术，噻吩类硫化物被氧化后极性增强，其在水或极性溶剂中的溶解度要大于其相应的有机碳氢化合物，可以通过萃取或吸附除去，从而达到与油品分离的目的。

氧化脱硫的关键在于合成一种具有高催化活性且易于分离回收的催化剂。负载型离子液体作为一种多相催化剂具有催化剂活性高，易于回收分离，用量小等优点。

传统负载型离子液体以金属氧化物、硅凝胶、有机聚合物和介孔硅材料等为载体。但是金属氧化物和有机聚合物存在比表面积较低等缺点，不利于离子液体的分散，从而导致负载效率较低，催化活性较低等问题。介孔硅材料虽然比表面积较低，但是其孔道容易堵塞导致回收循环使用较困难。

类石墨烯型氮化硼作为一种层状结构的材料，由于其特殊的层状结构和较高的比表面积可以克服以上问题，因此设计类石墨烯型氮化硼负载离子液体并将其用于燃油深度氧化脱硫具有较好的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂，能够同时具有均相催化剂的高活性和多相催化剂易分离的优点。

本发明还要解决的技术问题是提供上述类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂的制备方法。

本发明最后要解决的技术问题是提供上述类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂，它是以类石墨烯型氮化硼为载体，将离子液体固载到类石墨烯型氮化硼上合成的催化剂；

其中，所述的类石墨烯型氮化硼为单层或少层的氮化硼，所述的离子液体为金属基多酸型离子液体，分子式是Q₂[M₆O₁₉]；M是中心原子，为钨或钼；Q是阳离子，为季膦阳离子(I)或季铵阳离子(II)；

其中，R₁，R₂，R₃，R₄是直链烷基。优选的是R₁为碳链长度为1～16烷基，R₂为碳链长度为1～16烷基，R₃为碳链长度为1～16烷基，R₄为碳链长度为1～18烷基。更优选的是R₁,R₂,R₃为碳链长度为1～6烷基，R₄为碳链长度为12～18烷基。

其中，所述的类石墨烯型氮化硼层数少于10层。

本发明中，所述的离子液体可以直接从市场上购买，或者按照参考文献W.S.Zhu,Y.X.Ding,H.M.Li,J.Qin,Y.H.Chao,J.Xiong,Y.H.Xu and H.Liu,Rsc Adv.,2013,3,3893-3898进行合成。所述的类石墨烯型氮化硼可以从市场上购买或者按照参考文献A.Nag,K.Raidongia,K.Hembram,R.Datta,U.V.Waghmare and C.N.R.Rao,ACS Nano,2010,4,1539-1544进行合成。

其中，类石墨烯型氮化硼与离子液体的质量比为1:0.05～0.5，优选1:0.2～0.5。

上述类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂的制备方法，将质量比为1:0.05～0.5:0.05～2的类石墨烯型氮化硼、离子液体和氯代烷烃混合，在温度15～30℃下搅拌反应1～12小时，再在真空干燥箱中除去氯代烷烃，得到类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂。

其中，类石墨烯型氮化硼、离子液体和氯代烷烃的质量比优选为1:0.2～0.5:0.5～2。

其中，所述的氯代烷烃为一氯取代烷烃、二氯取代烷烃或三氯取代烷烃；氯代烷烃的碳链长度为1～12个碳，优选1～4个碳。

其中，优选的是在温度25～30℃下搅拌反应4～12小时。

其中，所述干燥条件为温度30～80℃、干燥时间为12～24小时。

上述类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂在氧化燃油脱硫中的应用。

具体应用方法为，在搅拌条件下，向燃油中加入类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂和H₂O₂水溶液进行反应，反应结束后倾倒上层燃油即实现催化剂与燃油的分离。

其中，所述H₂O₂水溶液中，溶质H₂O₂的质量百分比浓度为5～70%，优选30～70%；燃油中硫化物与H₂O₂摩尔比为1:2～8，优选1:3～8；反应时间为0.5～4小时，优选1～4小时；反应温度为20～70℃，优选30～70℃。

以类石墨烯型氮化硼作为载体合成类石墨烯型氮化硼负载离子液体，在整个反应过程中这种催化剂不溶于油品，本发明中催化剂具有均相催化剂的高活性和多相催化剂易分离的优点。由于类石墨烯型氮化硼的比表面积较大，在反应过程中可以形成“假液相”，增大催化剂与反应底物以及双氧水的接触面积，提高催化活性。本发明与传统方法相比，具有硫的脱除效率高，反应时间短，反应体系简单，反应条件温和，不需要加压设备，分离方便，催化剂便于循环使用等优点。

本发明具有以下优点：

1、所筛选的催化剂具有高活性和易分离的优点，可以将燃油中硫含量从几百ppm降到10ppm以下。

2、催化剂与油品不互溶，反应结束后催化剂与燃油分离简单，催化剂可以循环使用多次。

3、选择氧化性较强的绿色氧化剂双氧水为氧化剂，因此，本反应条件温和，不需要其它有机溶剂，对人和环境无害。

附图说明

图1合成的类石墨烯氮化硼和IL/BN的SEM和EDS表征结果，其中，a),c)G-BN;b),d)IL/G-BN。其中，a)图表明BN的形貌，是薄层材料；b)图表明BN负载上IL后的形貌；c)图为BN的EDS结果，表明合成的材料中只含B和N元素；d)图为IL/BN的EDS结果，表明合成的材料中除了含B和N元素，还含IL中的C、O、W、P元素。

图2G-BN的原子力显微镜图(AFM)，结果表明合成的BN的层高为3nm左右，层数少于10层。

图3合成BN和IL/BN的TEM表征结果，其中，a，b，c：少层BN的TEM图;d：IL/BN；e：BN的HRTEM图。图a表明BN为层状；图b和c表明BN为多晶结构；图d为负载了IL后的BN，表明其仍然保持层状结构；图e为HRTEM，表明BN为六方孔状。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

以下实施例所使用的燃油类型：

(1)模型油是将二苯并噻吩溶解在正辛烷中，配成硫含量为500ppm模型油；

(2)柴油为加氢处理后柴油，硫含量为150ppm；

(3)FCC汽油，硫含量为300ppm；

在有磁力搅拌的双颈反应套瓶中，向油品中加入催化剂和H₂O₂，在设定温度下磁力搅拌反应，反应过程中催化剂保持不溶于油品，反应后催化剂与油品通过简单倾倒法分离，采用气相色谱(GC-FID)检测油中硫化物的含量，计算脱硫率：

以下实施例中，类石墨烯型氮化硼的合成方法参考文献A.Nag,K.Raidongia,K.Hembram,R.Datta,U.V.Waghmare and C.N.R.Rao,ACS Nano,2010,4,1539-1544，或者直接从市场上购买。

以下实施例中，离子液体的合成方法参考文献W.S.Zhu,Y.X.Ding,H.M.Li,J.Qin,Y.H.Chao,J.Xiong,Y.H.Xu and H.Liu,Rsc Adv.,2013,3,3893-3898，或者直接从市场上购买。

实施例1：

取0.18g类石墨烯型氮化硼（BN）和0.02g[(C₆H₁₃)₃PC_l4H₂₉]₂W₆O₁₉混合，加入3mLCH₂Cl₂，20℃下搅拌反应3h，在真空干燥箱中干燥除去CH₂Cl₂，得到类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂(IL/G-BN)。

实施例2：

取0.19g类石墨烯型氮化硼和0.01g[(C₄H₉)₃PC_l6H₃₃]₂W₆O₁₉混合，加入3mL CH₂Cl₂，30℃下搅拌3h，在真空干燥箱中干燥除去CH₂Cl₂，得到类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂(IL/G-BN)。

实施例3：

取0.1g类石墨烯型氮化硼和0.05g[(C₆H₁₃)₃PC_l4H₂₉]₂Mo₆O₁₉混合，加入3mLCH₂Cl₂，30℃下搅拌3h，在真空干燥箱中干燥除去C₃H₇Cl，得到类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂(IL/G-BN)。

实施例4：

取0.18g类石墨烯型氮化硼和0.02g[(C₆H₁₃)₃PC_l6H₃₃]₂Mo₆O₁₉混合，加入3mLCH₂Cl₂，30℃下搅拌3h，在真空干燥箱中干燥除去C₁₂H₂₃Cl₃，得到类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂(IL/G-BN)。

实施例5：

在有磁力搅拌的双颈反应套瓶中，向油品中加入0.05g实施例1得到的催化剂和30wt%的H₂O₂水溶液，燃油中硫化物与双氧水的摩尔比1：3，在50℃下磁力搅拌反应3h，催化剂保持粉末状，不溶于油品。反应结束以后，催化剂与油品通过简单倾倒法分离，反应后油品采用GC-FID检测油中硫化物的含量，计算脱硫率。催化剂循环使用五次，反应脱硫率如表1所示。

表1

实施例6-14：

在有磁力搅拌的双颈反应套瓶中，向油品中加入制备得到的催化剂和H₂O₂氧化剂，在设定温度下磁力搅拌反应，反应过程中催化剂保持粉末状，催化剂与油品通过简单倾倒法分离，反应后油品采用GC-FID检测油中硫化物的含量，计算脱硫率，结果见表2。

表2

实施例15-23

在有磁力搅拌的双颈反应套瓶中，向油品中加入制备得到的催化剂和H₂O₂氧化剂，在设定温度下磁力搅拌反应，反应过程中催化剂保持粉末状，催化剂与油品通过简单倾倒法分离，反应后油品采用GC-FID检测油中硫化物的含量，计算脱硫率，结果见表3。表3

Claims

1.一种类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂，其特征在于，它是以类石墨烯型氮化硼为载体，将离子液体固载到类石墨烯型氮化硼上合成的催化剂；

其中，所述的类石墨烯型氮化硼为单层或少层的氮化硼，所述的离子液体为多酸型离子液体，分子式是Q₂[M₆O₁₉]；M是中心原子，为钨或钼；Q是阳离子，为季膦阳离子(I)或季铵阳离子(II)；

其中，R₁，R₂，R₃，R₄是直链烷基。

2.根据权利要求1所述的离子液体，其特征在于，R₁为碳链长度为1～16烷基，R₂为碳链长度为1～16烷基，R₃为碳链长度为1～16烷基，R₄为碳链长度为1～18烷基。

3.根据权利要求1所述的类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂，其特征在于，所述的类石墨烯型氮化硼层数少于10层。

4.根据权利要求1所述的类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂，其特征在于，类石墨烯型氮化硼与离子液体的质量比为1:0.05～0.5。

5.权利要求1所述的类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂的制备方法，其特征在于，将质量比为1:0.05～0.5:0.05～2的类石墨烯型氮化硼、离子液体和氯代烷烃混合，在温度15～30℃下搅拌反应1～12小时，再在真空干燥箱中除去氯代烷烃，得到类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂。

6.根据权利要求5所述的类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂的制备方法，其特征在于，所述的氯代烷烃为一氯取代烷烃、二氯取代烷烃或三氯取代烷烃；氯代烷烃的碳链长度为1～12个碳。

7.根据权利要求5所述的类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂的制备方法，其特征在于，所述干燥条件为温度30～80℃、干燥时间为12～24小时。

8.权利要求5所述的类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂在氧化燃油脱硫中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，在搅拌条件下，向燃油中加入类石墨烯型氮化硼负载离子液体催化剂和H₂O₂水溶液进行反应，反应结束后倾倒上层燃油即实现催化剂与燃油的分离。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述H₂O₂水溶液中，溶质H₂O₂的质量百分浓度为5～70%，燃油中硫化物与H₂O₂摩尔比为1：2～8；反应时间为0.5～4小时，反应温度为20～70℃。