CN104368337A - 贵金属/介孔碳催化剂的制备方法、由此获得的催化剂及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种贵金属/介孔碳催化剂的制备方法、由此获得的催化剂及其用途。具体地,本发明公开了一种纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法,所述方法包括如下步骤:将贵金属前驱体配制成溶液;将含有贵金属前驱体的溶液加入到介孔碳CMK-3中,搅拌分散后,进行干燥;将干燥后的粉末用容器盛放,放入盛有氨水的器皿中,在30-90℃的温度下在密闭环境中进行反应,然后干燥;将所得固体粉末在惰性气氛下进行高温煅烧,得到纳米贵金属/介孔碳催化剂。
Description
技术领域
本发明涉及催化剂制备领域,特别是一种用于有机偶联反应的高活性纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法、由此获得的催化剂及其用途。
背景技术
在工业生产中Pd/C是最常用的负载型贵金属催化剂之一,由于钯具有较强的活性,故常用于加氢、氢解、偶联、燃料电池的氢储备、电催化氧化等反应中。
随着相关产业的不断发展,目前常用的商业Pd/C催化剂在活性、稳定性、分散性、颗粒尺寸分布等方面的不足较大地限制了其应用,尤其钯流失严重不仅增加了催化剂成本,而且还增加了污水处理的难度。
有鉴于此,本发明用介孔碳CMK-3替换传统载体,在显著提高钯纳米颗粒的活性、稳定性、分散性和尺寸均一性,降低钯流失量的同时,还为一些异构择型反应提供了可能。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足,一方面,本发明提供一种纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法,所述方法包括如下步骤:
(1)将选自钯、铑、钌或其任意组合的贵金属前驱体配制成溶液;
(2)将含有贵金属前驱体的溶液加入到介孔碳CMK-3中,然后进行干燥;
(3)将干燥后的粉末用容器盛放,放入盛有能够产生氨的物质的器皿中,在30-90℃的温度下在密闭环境中进行水解反应,然后干燥得到固体粉末,所述能够产生氨的物质包括但不限于氨水、碳酸氢铵溶液、亚硫酸铵溶液、尿素溶液、碳酸铵溶液、甲酰胺溶液、乙酰胺溶液;
(4)将所得固体粉末在惰性气氛下进行高温煅烧,得到纳米贵金属/介孔碳催化剂。
值得注意的是,需要采取样品与氨水不接触的方式才能实现发明。另外,氨水的作用是提供碱性湿润气氛,使金属盐预水解,形成碱或者配合物。
在一个优选实施方案中,根据本发明的高分散纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法的步骤(1)中溶液的浓度范围为0.05摩尔/升~0.2摩尔/升,优选为0.1摩尔/升~0.15摩尔/升,更优选为0.15摩尔/升。优选地,步骤(1)中所述贵金属为钯。本领域技术人员应理解,该溶液的浓度范围并不限于此,只要能够实现本发明即可。
在另一个优选实施方案中,根据本发明的高分散纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法的步骤(2)中钯的负载量为0.5重量%~20重量%,优选为1重量%~10重量%,更优选为5重量%~8重量%。优选地,步骤(2)中在干燥之前进行搅拌,其中搅拌时间优选为2-20小时、更优选为12小时,并且干燥温度优选为30-80℃、更优选为50℃,干燥时间优选为6小时~36小时。本领域技术人员应理解,钯的负载量并不限于此,只要能够实现本发明即可。
在又一个优选实施方案中,根据本发明的高分散纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法的步骤(3)中水解反应的时间为1小时~6小时,反应温度优选为60℃。优选地,步骤(3)中干燥温度优选为30-80℃、更优选为50℃,干燥时间优选为6小时~36小时、更优选为12小时。优选地,步骤(3)中能够产生氨的物质优选为氨水。本领域技术人员应理解,步骤(3)中水解反应的时间并不限于此,只要能够实现本发明即可。
在再一个优选实施方案中,根据本发明的高分散纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法的步骤(4)中煅烧的温度为300℃~600℃。优选地,步骤(4)中煅烧的时间为1小时~10小时,装载固体粉末的器具优选为瓷舟,所述惰性气体优选选自氮气、氦气、氩气或其组合,更优选为氩气。本领域技术人员应理解,煅烧温度、煅烧时间并不限于此,只要能够实现本发明即可。
在又一个优选实施方案中,根据本发明的高分散纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法的贵金属纳米晶的粒径为0.5纳米~50纳米。本领域技术人员应理解,晶粒尺寸并不限于此,只要能够实现本发明即可。
在再一个优选实施方案中,根据本发明的高分散纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法,贵金属前驱体包括贵金属的硝酸盐、贵金属的氯化物、贵金属的醋酸盐、乙酰丙酮贵金属化合物、贵金属的氢氧化物、贵金属的硫酸盐,氯贵金属酸的铵盐、碱金属盐,二氯二氨合贵金属、二氯四氨合贵金属中的至少一种,优选为硝酸钯、氯化钯、醋酸钯、乙酰丙酮钯、氢氧化钯、硫酸钯、氯钯酸铵、氯钯酸钾、氯钯酸钠、二氯二氨钯、二氯四氨钯中的至少一种。
在另一个优选实施方案中,根据本发明的高分散纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法,溶解贵金属前驱体的溶剂包括水、盐酸、苯甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、氯仿中的至少一种。
本领域技术人员应理解,以上所描述的贵金属类型、搅拌时间、干燥温度、惰性气体种类等并不限于此,只要能够实现本发明即可。
另一方面,本发明提供通过本发明的制备方法制得的纳米贵金属/介孔碳催化剂。
再一方面,本发明提供根据本发明的纳米贵金属/介孔碳催化剂在催化Suzuki偶联反应中的应用。
本发明公开了一种用于有机偶联反应的高活性纳米钯/介孔碳催化剂。该催化剂以介孔碳CMK-3为载体,利用其限域作用,使钯纳米颗粒高度均匀分散在狭窄的孔道中,有效的提高了Pd纳米颗粒的活性、稳定性、分散性和尺寸均一性。
本发明采用的技术方案如下:一种高活性纳米钯/介孔碳催化剂,其特征在于:催化剂载体为双孔介孔碳CMK-3,孔径分布在1纳米~4纳米;活性组分为钯,钯的质量百分含量为0.5%~20%。
一种高分散纳米钯/介孔碳催化剂的制备方法,其包括以下步骤:将钯前驱体配制成溶液后,浸入到介孔碳CMK-3中,搅拌分散12小时后,在50℃烘箱中干燥。将干燥后的样品随容器放在盛有氨水的玻璃瓶中,样品不与氨水接触。将玻璃瓶放在60℃烘箱中保持1小时~6小时,随即将水解处理后的样品放在50℃烘箱中干燥12小时。所得固体粉末用瓷舟装载,放入通有氩气的管式炉内,在一定温度下进行高温处理,即可得到高分散纳米钯/介孔碳催化剂。
所述Pd前驱体溶液的浓度范围为0.05摩尔/升~0.2摩尔/升
所述60℃烘箱中水解反应的时间为1小时~6小时。
所述管式炉煅烧的温度为300℃~600℃。
所述管式炉煅烧的时间为1小时~10小时。
所述钯纳米晶的粒径为0.5纳米~50纳米。
所述钯前驱体包括硝酸钯、氯化钯、醋酸钯、乙酰丙酮钯、氢氧化钯、硫酸钯、氯钯酸铵、氯钯酸钾、氯钯酸钠、二氯二氨钯、二氯四氨钯中至少一种。
所述溶解钯前驱体的溶剂包括水、盐酸、苯甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、氯仿中至少一种。
所制得的高活性纳米钯/介孔碳催化剂,通过Suzuki偶联反应验证活性。
所述Suzuki偶联反应的反应物为卤代芳香族化合物和苯硼酸。
所述卤代芳香族化合物为溴苯、2-溴甲苯、4-溴甲苯、2-溴苯甲醚、4-溴苯甲醚、4-溴苯乙酮、4-溴苯甲腈。
所述Suzuki反应中:卤代芳香族化合物优选为1mmol,钯/介孔碳催化剂优选为10mg,碱为3mmol,溶剂优选为乙醇15mL,反应温度为60℃。
附图说明
参照附图由下面对优选的或有利的实施方案的详细描述本发明另外的特征和优点会变得更加易于理解,其中:
图1是本发明第一实施例所用的双孔介孔碳CMK-3载体的扫描电镜(SEM)图。
图2是本发明第一实施例制备的纳米钯/介孔碳催化剂的透射电镜(TEM)图。
图3是图2的放大图。
图4是本发明第一实施例制备的纳米钯/介孔碳催化剂的X射线衍射(XRD)图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制。
实施例
实施例1:高活性纳米钯/介孔碳催化剂的制备。
将2.94克(g)氯钯酸钠溶于100毫升(mL)水中,配成浓度为0.1摩尔/升的氯钯酸钠溶液,取5.08毫升(mL)氯钯酸钠溶液浸渍到1克(g)介孔碳CMK-3(本领域技术人员应理解,介孔碳CMK-3可以通过多种方式获得,例如可以自商业途径获得,例如购自南京先丰纳米材料科技有限公司,或者通过中国专利申请CN201210220061.X中描述的方法制备)中,搅拌分散12小时后,在50℃烘箱中干燥12小时。将干燥后的样品随容器放在盛有15毫升(mL)氨水的玻璃瓶中,样品与氨水不接触。将玻璃瓶放在60℃烘箱中保持3小时,随即将水解处理后的样品在50℃烘箱中干燥12小时。所得固体粉末用瓷舟装载,放入通有氩气的管式炉内,在300℃下进行煅烧,即可得到钯负载量为5重量%的催化剂。请参阅图1为第一实例所用的碳载体CMK-3的扫描电镜(SEM)图片。请参阅图2和图3为第一实例制备的Pd/CMK-3催化剂的透射电镜(TEM)图片。请参阅图4为第一实例制备的Pd/CMK-3催化剂的X射线衍射(XRD)图片。
实施例2:高活性纳米钯/介孔碳催化剂催化Suzuki偶联反应。
卤代芳香族化合物为1毫摩尔,苯硼酸为1.1毫摩尔,催化剂为10毫克,碳酸钾为3毫摩尔,乙醇为15毫升,常温超声2分钟后,在60℃反应5分钟后,离心,旋蒸得到产物。
表1
实施例3
除了用三氯化钌代替氯钯酸钠作为贵金属前驱体之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钌/介孔碳催化剂,得到钌负载量为5重量%的催化剂。
实施例4
除了搅拌分散时间改为2小时之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为2重量%的催化剂。
实施例5
除了用醋酸铑代替氯钯酸钠作为贵金属前驱体之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米铑/介孔碳催化剂,得到铑负载量为5.9重量%的催化剂。
实施例6
除了搅拌分散时间改为20小时之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为12重量%的催化剂。
实施例7
除了在搅拌分散后在30℃干燥36小时之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为6重量%的催化剂。
实施例8
除了在搅拌分散后在80℃干燥6小时之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为6重量%的催化剂。
实施例9
除了在搅拌分散后在30℃干燥36小时之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为6重量%的催化剂。
实施例10
除了在90℃的温度下水解反应1小时之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为7重量%的催化剂。
实施例11
除了在30℃的温度下水解反应6小时之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为5.6重量%的催化剂。
实施例12
除了在水解反应后在80℃的温度下干燥6小时之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为7重量%的催化剂。
实施例13
除了在水解反应后在30℃的温度下干燥36小时之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为6重量%的催化剂。
实施例14
除了在300℃的温度下煅烧10小时之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为5重量%的催化剂。
实施例15
除了在600℃的温度下煅烧1小时之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为8重量%的催化剂。
实施例16
除了用氯仿代替水作为贵金属前驱体的溶剂之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为6重量%的催化剂。
实施例17
除了用30ml碳酸氢铵水溶液代替15ml氨水之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为5.5重量%的催化剂。
实施例18
除了用20ml尿素水溶液代替15ml氨水之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为5.8重量%的催化剂。
实施例19
除了用20ml甲酰胺水溶液代替15ml氨水之外,采用与实施例1中相同的方式制备高活性纳米钯/介孔碳催化剂,得到钯负载量为5.9重量%的催化剂。
实施例20~36:高活性纳米贵金属/介孔碳催化剂催化Suzuki偶联反应。
除了使用实施例3~20中的催化剂代替实施例2中的催化剂之外,采用与实施例2中相同的方式将根据本发明的方法制得的高活性纳米贵金属/介孔碳催化剂用于催化Suzuki偶联反应。结果如下表2所示。
表2
实施例编号 | 催化剂 | 底物1 | 底物2 | 反应时间[分钟] | 转化率[%] |
实施例20 | 实施例3的催化剂 | 溴苯 | 苯硼酸 | 5 | 99 |
实施例21 | 实施例4的催化剂 | 2-溴甲苯 | 苯硼酸 | 5 | 98 |
实施例22 | 实施例5的催化剂 | 4-溴甲苯 | 苯硼酸 | 5 | 99 |
实施例23 | 实施例6的催化剂 | 2-溴苯甲醚 | 苯硼酸 | 5 | 99 |
实施例24 | 实施例7的催化剂 | 4-溴苯甲醚 | 苯硼酸 | 5 | 98 |
实施例25 | 实施例8的催化剂 | 4-溴苯乙酮 | 苯硼酸 | 5 | 98 |
实施例26 | 实施例9的催化剂 | 4-溴苯甲腈 | 苯硼酸 | 5 | 97 |
实施例27 | 实施例10的催化剂 | 溴苯 | 苯硼酸 | 5 | 99 |
实施例28 | 实施例11的催化剂 | 2-溴甲苯 | 苯硼酸 | 5 | 98 |
实施例29 | 实施例12的催化剂 | 4-溴甲苯 | 苯硼酸 | 5 | 99 |
实施例30 | 实施例13的催化剂 | 2-溴苯甲醚 | 苯硼酸 | 5 | 99 |
实施例31 | 实施例14的催化剂 | 4-溴苯甲醚 | 苯硼酸 | 5 | 98 |
实施例32 | 实施例15的催化剂 | 4-溴苯乙酮 | 苯硼酸 | 5 | 98 |
实施例33 | 实施例16的催化剂 | 4-溴苯甲腈 | 苯硼酸 | 5 | 97 |
实施例34 | 实施例17的催化剂 | 4-溴苯甲醚 | 苯硼酸 | 5 | 98 |
实施例35 | 实施例18的催化剂 | 4-溴苯乙酮 | 苯硼酸 | 5 | 98 |
实施例36 | 实施例19的催化剂 | 4-溴苯甲腈 | 苯硼酸 | 5 | 97 |
以上对本发明所提供的高活性纳米钯/介孔碳催化剂及其制备方法进行了详细描述。本文中应用了具体实施例对本发明的方法进行了阐释,以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应指出,对于本领域技术人员而言,在不背离本发明的精神和教导的前提下,还可以对本发明的方法进行修改和改变,这些修改和改变也同样落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法,所述方法包括如下步骤:
(1)将选自钯、铑、钌或其任意组合的贵金属前驱体配制成溶液;
(2)将含有贵金属前驱体的溶液加入到介孔碳CMK-3中,然后进行干燥;
(3)将干燥后的粉末用容器盛放,放入盛有能够产生氨的物质的器皿中,在30-90℃的温度下在密闭环境中进行水解反应,然后干燥得到固体粉末,所述能够产生氨的物质选自氨水、碳酸氢铵溶液、亚硫酸铵溶液、尿素溶液、碳酸铵溶液、甲酰胺溶液、乙酰胺溶液;
(4)将所得固体粉末在惰性气氛下进行高温煅烧,得到纳米贵金属/介孔碳催化剂。
2.如权利要求1所述的纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中溶液的浓度范围为0.05摩尔/升~0.2摩尔/升,优选地所述贵金属为钯。
3.如权利要求1所述的纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中钯的负载量为0.5重量%~20重量%,优选地在步骤(2)中在干燥之前进行搅拌,其中搅拌时间优选为2-20小时、更优选为12小时,并且干燥温度优选为30-80℃、更优选为50℃,干燥时间优选为6小时~36小时。
4.如权利要求1所述的纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(3)中水解反应的时间为1小时~6小时,反应温度优选为60℃;干燥温度优选为30-80℃、更优选为50℃;干燥时间优选为6小时~36小时、更优选为12小时;所述能够产生氨的物质优选为氨水。
5.如权利要求1所述的纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(4)中煅烧的温度为300℃~600℃,优选地步骤(4)中煅烧的时间为1小时~10小时,装载固体粉末的器具优选为瓷舟,所述惰性气体优选选自氮气、氦气、氩气或其组合,更优选为氩气。
6.如权利要求1所述的纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法,其特征在于,贵金属纳米晶的粒径为0.5纳米~50纳米。
7.如权利要求1所述的纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法,其特征在于,贵金属前驱体包括贵金属的硝酸盐、贵金属的氯化物、贵金属的醋酸盐、乙酰丙酮贵金属化合物、贵金属的氢氧化物、贵金属的硫酸盐,氯贵金属酸的铵盐、碱金属盐,二氯二氨合贵金属、二氯四氨合贵金属中的至少一种,优选为硝酸钯、氯化钯、醋酸钯、乙酰丙酮钯、氢氧化钯、硫酸钯、氯钯酸铵、氯钯酸钾、氯钯酸钠、二氯二氨钯、二氯四氨钯中的至少一种。
8.如权利要求1所述的纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法,其特征在于,溶解贵金属前驱体的溶剂包括水、盐酸、苯甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、氯仿中的至少一种。
9.通过权利要求1~8之一的高分散纳米贵金属/介孔碳催化剂的制备方法制得的纳米贵金属/介孔碳催化剂。
10.根据权利要求9的纳米贵金属/介孔碳催化剂在催化Suzuki偶联反应中的应用。
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