CN105344380A - 一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂及其制备方法和应用，先在氧化石墨烯溶液中加入无水四氯化锆、对苯二甲酸及N,N-二甲酰胺制备得到金属有机框架/石墨烯复合材料，然后加入正己烷、H2PdCl4溶液及还原剂得到金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂，其载体由金属有机框架和石墨烯组成，负载活性组分是钯纳米粒子，所述钯纳米粒子的负载量为催化剂总质量的1~10%，粒径为10~20nm。将金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂应用于卤代苯与苯硼酸的Suzuki反应，显示出较高的催化活性和较好的重复使用性能。

Description

一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种催化剂，具体涉及一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂及其制备方法和应用，属于催化技术领域。
背景技术
2004年以来，石墨烯(graphene,GN)作为一种新型碳质纳米材料被国内外学者广泛研究。超高的比表面，良好的导电性和机械强度，使石墨烯成为了一种良好潜质和性能优异的催化剂载体材料。实现贵金属纳米粒子在石墨烯表面高质量的分散和负载一直是值得关注的一个课题。然而，由于石墨烯具有大的共轭体系，片层间具有强烈的π-π相互作用容易发生叠加，会对贵金属纳米粒子的分散性和稳定性造成较大的干扰。如何更有效的将贵金属纳米粒子和石墨烯材料有机的结合，依旧是当前研究石墨烯负载型贵金属催化剂的难点。随着人们在石墨烯材料研究方面的不断深入，各种结构新颖且性能独特的石墨烯材料相继被研发出来。其中最具有研究价值之一的就是将石墨烯与某些有机或者无机材料复合，形成石墨烯基的复合材料。这些复合材料既具有石墨烯本身的优异性能，又具有负载材料某一方面的特殊性能，是目前研究石墨烯的主要方向。
金属有机框架化合物(MOFs)是由有机配体把金属或金属簇连接在一起所形成的一类新型材料。由于它可控的孔道结构和功能的多样性，已经广泛应用于催化、生物成像、气体分离和储存等领域，从而引起了科研工作者的广泛关注。此外，金属有机框架化合物具有较大的比表面积、多孔结构以及大量含碳有机配体，从而已被认为有望成为模板或者前驱物制备多孔纳米材料。MOFs材料有一个主要的弱点就是有很低的热稳定性、水热稳定性和化学稳定性，这些弱点限制了MOFs材料在工业中的大规模应用。UiO66是Zr金属为中心新型MOFs材料，具有很高的热稳定性。尽管已有一些石墨烯/有机金属框架复合材料的报道，但绝大多数是集中在制备新型吸附材料和电容材料领域。目前，关于石墨烯/有机金属框架复合材料负载贵金属催化剂，且在有机小分子催化领域的研究还未有报道。
发明内容
解决的技术问题：本发明提供了一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂及其制备方法和应用，制备得到的金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂用于卤代苯和苯硼酸的C-C偶联反应显示出高的催化活性，较低的钯溶出性，且催化剂经过简单的过滤分离能够实现快速回收，实用性强。
技术方案：本发明提供的一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂，其载体由金属有机框架(Zr-MOFs,UiO66)和石墨烯组成，负载活性组分是钯（Pd）纳米粒子，所述钯（Pd）纳米粒子的负载量为催化剂总质量的1.0~10%，粒径为10~20nm。
本发明提供的一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的制备方法，其包括如下制备步骤：
（1）将氧化石墨烯(GO)分散于N,N-二甲酰胺(DMF)中并进行超声处理60~100min，得到氧化石墨烯溶液；所述DMF与GO的混合比例为100mL/g；
（2）往步骤（1）所得的氧化石墨烯溶液中依次加入无水四氯化锆(ZrCl4)、对苯二甲酸(BDC)及DMF，所述GO与ZrCl4的质量比为1:5~50，所述ZrCl4和BDC的摩尔比为1:1，所述DMF与ZrCl4的混合比例为200mL/g；所得溶液在100-150℃下反应12-36h，过滤，DMF洗涤滤饼，然后浸于二氯甲烷中12~24h，抽滤，真空室温干燥过夜，所得产品置于烘箱100~150℃，恒温12~24h，得到金属有机框架/氧化石墨烯复合材料(UiO66GO)；
（3）将步骤（2）中所得的复合材料UiO66GO分散于正己烷中超声30min，形成准均相体系，搅拌下，滴加0.04mol/L的H2PdCl4溶液，继续搅拌反应1h，加入浓度为0.5~1.0mol/L的还原剂，25~80℃下继续搅拌20min，离心分离，水洗，室温真空干燥，得到金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂(UiO66GN-Pd)；所述正己烷与复合材料UiO66GO的混合比例为40mL/g；所述H2PdCl4和UiO66GO的质量比1:5~25，所述H2PdCl4与还原剂的摩尔比为1:20~40。
步骤（1）所述氧化石墨烯的制备方法为：取石墨粉和硝酸钠，加入浓硫酸搅拌均匀，然后放入冰浴中，边搅拌边加入高锰酸钾，保持温度在20℃以下，然后升温至35℃并保温1~2h，缓慢加入去离子水，其中加入的去离子水与浓硫酸的体积比为2:1，并将温度升至85~95℃，保温15min，再加入10mL30%的双氧水和去离子水，此时加入的去离子水与浓硫酸的体积比为6:1，所得产物经过离心，稀盐酸洗涤、烘干、研磨，最后得到氧化石墨烯；所述石墨粉与硝酸钠的质量比为2:1，浓硫酸与石墨粉的比例为23mL/mg，高锰酸钾与石墨粉的质量比为3:1。
步骤（1）所述超声处理采用的是功率为300W的超声处理器；步骤（3）所述还原剂为硼氢化钠、水合肼、聚乙二醇中的任意一种。
本发明提供的一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂在卤代苯与苯硼酸的Suzuki反应中的应用，其应用方法为：反应氛围在空气中进行，以金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂为催化剂，反应溶剂为DMF，碱为三乙胺，反应温度为80~90℃，反应时间为0.5~5h，卤代苯、苯硼酸与碱的摩尔比为卤代苯:苯硼酸:碱摩尔=1:1.5~2.0:2.0~4.0，催化剂为卤代苯的0.05~0.5mol%(钯含量计算)；反应结束后经过滤分离回收催化剂，催化剂继续下一次反应。所述卤代苯为碘代苯、溴代苯、氯代苯中的任意一种。
有益效果：（1）本发明制备的金属有机框架/石墨烯复合材料不仅比表面较大，而且保持了MOFs材料的孔道结构，具备优秀载体的特性，活性成分钯纳米粒子在其表面高度分散，因此在催化C-C偶联反应过程中可以防止钯发生聚集和流失，具有较高的催化活性和较好的重复使用性能。
（2）本发明的制备工艺简单，成本低，易于实现产业化，具有重要的学术研究意义和潜在的应用前景。
附图说明
图1是实施例1制备所得金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂(UiO66GN-Pd)循环使用效果图；
图2是实施例1制备所得金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂(UiO66GN-Pd)的红外谱图（其中曲线a:GO，b:UiO66，c:UiO66GO，d:UiO66GN-Pd）。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不因此局限于下述实施例，而是由本发明的说明书和权利要求书限定。
实施例1
（1）氧化石墨烯的制备方法：
取石墨粉和硝酸钠，加入浓硫酸搅拌均匀，然后放入冰浴中，边搅拌边加入高锰酸钾，保持温度在20℃以下，然后升温至35℃并保温1~2h，缓慢加入去离子水，其中加入的去离子水与浓硫酸的体积比为2:1，并将温度升至85~95℃，保温15min，再加入10mL30%的双氧水和去离子水，此时加入的去离子水与浓硫酸的体积比为6:1，所得产物经过离心，稀盐酸洗涤、烘干、研磨，最后得到氧化石墨烯；其中石墨粉与硝酸钠的质量比为2:1，浓硫酸与石墨粉的比例为23mL/mg，高锰酸钾与石墨粉的质量比为3:1。
（2）金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的制备方法：
称取100mg上述制备的氧化石墨烯加入烧杯中，加入10mLDMF，超声分散60min，依次向其中加入500mgZrCl4，356mg对苯二甲酸及100mLDMF，所得溶液在100℃缓慢搅拌12h，静置，过滤，DMF洗涤滤饼，将此粗品浸于二氯甲烷中12h，抽滤，真空室温干燥过夜，产品置于烘箱100℃，恒温12h，最后得到复合材料UiO66GO。
将200mgUiO66GO复合材料分散于正己烷中超声30min,形成准均相体系。搅拌下，滴加4mL浓度为0.04mol/LH2PdCl4溶液，继续搅拌反应1h，加入6.4mL浓度为0.5mol/L硼氢化钠水溶液，室温下继续搅拌20min，离心分离，水洗，室温真空干燥，得到金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂(UiO66GN-Pd)。
实施例2
（1）氧化石墨烯的制备方法同实施例1；
（2）金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的制备方法：
称取100mg上述制备的氧化石墨烯加入烧杯中，加入10mLDMF，超声分散60min，依次向其中加入1.0gZrCl4，712mg对苯二甲酸及200mLDMF，所得溶液在120℃缓慢搅拌18h，静置，过滤，DMF洗涤滤饼，将此粗品浸于二氯甲烷中12h，抽滤，真空室温干燥过夜，产品置于烘箱100℃，恒温12h，最后得到复合材料UiO66GO。
将200mgUiO66GO复合材料分散于正己烷中超声30min,形成准均相体系。搅拌下，滴加2mL浓度为0.04mol/LH2PdCl4溶液，继续搅拌反应1h，加入4.8mL浓度为0.5mol/L水合肼溶液，50℃继续搅拌20min，离心分离，水洗，室温真空干燥，得到金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂(UiO66GN-Pd)。
实施例3
（1）氧化石墨烯的制备方法同实施例1；
（2）金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的制备方法：
称取100mg上述制备的氧化石墨烯加入烧杯中，加入10mLDMF，超声分散100min，依次向其中加入2.5gZrCl4，1.8g对苯二甲酸及500mLDMF，所得溶液在120℃缓慢搅拌24h，静置，过滤，DMF洗涤滤饼，将此粗品浸于二氯甲烷中24h，抽滤，真空室温干燥过夜，产品置于烘箱120℃，恒温24h，最后得到复合材料UiO66GO。
将200mgUiO66GO复合材料分散于正己烷中超声30min,形成准均相体系。搅拌下，滴加0.8mL浓度为0.04mol/LH2PdCl4溶液，继续搅拌反应1h，加入1.6mL浓度为0.8mol/L聚乙二醇水溶液，80℃继续搅拌20min，离心分离，水洗，室温真空干燥，得到金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂(UiO66GN-Pd)。
实施例4
（1）氧化石墨烯的制备方法同实施例1；
（2）金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的制备方法：
称取100mg上述制备的氧化石墨烯加入烧杯中，加入10mLDMF，超声分散100min，依次向其中加入5.0gZrCl4，3.6g对苯二甲酸及1.0LDMF，所得溶液在150℃缓慢搅拌36h，静置，过滤，DMF洗涤滤饼，将此粗品浸于二氯甲烷中24h，抽滤，真空室温干燥过夜，产品置于烘箱150℃，恒温12h，最后得到复合材料UiO66GO。
将400mgUiO66GO复合材料分散于正己烷中超声30min,形成准均相体系。搅拌下，滴加1.6mL浓度为0.04mol/LH2PdCl4溶液，继续搅拌反应1h，加入2.6mL浓度为1.0mol/L聚乙二醇水溶液，80℃继续搅拌20min，离心分离，水洗，室温真空干燥，得到金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂(UiO66GN-Pd)。
实施例5
金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的应用：
在空气氛围中进行，以实施例1中制备得到的UiO66GN-Pd为催化剂，反应溶剂为DMF，温度为85℃，n(碘苯)为1mmol，n(碘苯):n(苯硼酸):n(三乙胺)=1:2.0:2.0，催化剂的用量为碘苯0.05mol%(钯含量计算)，反应结束后，过滤分离催化剂。催化剂继续下一次反应。GC分析滤液中目标化合物的收率，99%。
实施例6
金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的应用：
在空气氛围中进行，以实施例2中制备得到的UiO66GN-Pd为催化剂，反应溶剂为DMF，温度为85℃，n(4-硝基碘苯)为1mmol，n(碘苯):n(苯硼酸):n(三乙胺)=1:2.0:3.0，催化剂的用量为碘苯0.05mol%(钯含量计算)，反应结束后，过滤分离催化剂。催化剂继续下一次反应。GC分析滤液中目标化合物的收率，99%。
实施例7
金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的应用：
在空气氛围中进行，以实施例3中制备得到的UiO66GN-Pd为催化剂，反应溶剂为DMF，温度为85℃，n(溴苯)为1mmol，n(溴苯):n(苯硼酸):n(三乙胺)=1:2.0:3.0，催化剂的用量为碘苯0.1mol%(钯含量计算)，反应结束后，过滤分离催化剂。催化剂继续下一次反应。GC分析滤液中目标化合物的收率，96%。
实施例8
金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的应用：
在空气氛围中进行，以实施例4中制备得到的UiO66GN-Pd为催化剂，反应溶剂为DMF，温度为85℃，n(4-硝基氯苯)为1mmol，n(氯苯):n(苯硼酸):n(三乙胺)=1:2.0:3.0，催化剂的用量为碘苯0.5mol%(钯含量计算)，反应结束后，过滤分离催化剂。催化剂继续下一次反应。GC分析滤液中目标化合物的收率，95%。
实施例9
催化剂循环实验：
在空气氛围中进行，以实施例5中过滤得到的UiO66GN-Pd为催化剂，反应溶剂为DMF，温度为85℃，n(碘苯)为1mmol，n(碘苯):n(苯硼酸):n(三乙胺)=1:2.0:2.0，催化剂的用量为碘苯0.05mol%(钯含量计算)，反应结束后，过滤分离催化剂。催化剂继续下一次反应，如此循环使用5次，GC分析滤液中目标化合物的收率，结果如图1所示。由图可知，UiO66GN-Pd连续使用5次后，产物产率为97%，这说明催化剂UiO66GN-Pd具有很好的重复使用性能。

Claims (8)

1.一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂，其特征在于：其载体由金属有机框架和石墨烯组成，负载活性组分是钯纳米粒子，所述钯纳米粒子的负载量为催化剂总质量的1.0~10%，粒径为10~20nm。
2.如权利要求1所述的一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下制备步骤：
（1）将氧化石墨烯分散于N,N-二甲酰胺中并进行超声处理60~100min得到氧化石墨烯溶液，所述N,N-二甲酰胺与氧化石墨烯的混合比例为100mL/g；
（2）往步骤（1）所得氧化石墨烯溶液中依次加入无水四氯化锆、对苯二甲酸及N,N-二甲酰胺，所述氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯与无水四氯化锆的质量比为1:5~50，所述无水四氯化锆和对苯二甲酸的摩尔比为1:1，所述N,N-二甲酰胺与无水四氯化锆的混合比例为200mL/g；所得溶液在100-150℃下反应12-36h，过滤，用N,N-二甲酰胺洗涤滤饼，然后浸于二氯甲烷中12~24h，抽滤，真空室温干燥过夜，所得产品置于烘箱100~150℃，恒温12~24h，得到金属有机框架/氧化石墨烯复合材料；
（3）将步骤（2）中所得的复合材料分散于正己烷中超声30min，形成准均相体系，搅拌下，滴加0.04mol/L的H2PdCl4溶液，继续搅拌反应1h，加入浓度为0.5~1.0mol/L的还原剂，25~80℃下继续搅拌20min，离心分离，水洗，室温真空干燥，得到金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂；所述正己烷与复合材料的混合比例为40mL/g，所述H2PdCl4和复合材料的质量比1:5~25，所述H2PdCl4与还原剂的摩尔比为1:20~40。
3.根据权利要求2所述的一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的制备方法，其特征在于步骤（1）所述超声处理采用的是功率为300W的超声处理器。
4.根据权利要求2所述的一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的制备方法，其特征在于步骤（3）所述还原剂为硼氢化钠、水合肼、聚乙二醇中的任意一种。
5.根据权利要求2所述的一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的制备方法，其特征在于步骤（1）所述氧化石墨烯的制备方法为：取石墨粉和硝酸钠，加入浓硫酸搅拌均匀，然后放入冰浴中，边搅拌边加入高锰酸钾，保持温度在20℃以下，然后升温至35℃并保温1~2h，缓慢加入去离子水，其中加入的去离子水与浓硫酸的体积比为2:1，并将温度升至85~95℃，保温15min，再加入10mL30%的双氧水和去离子水，此时加入的去离子水与浓硫酸的体积比为6:1，所得产物经过离心、稀盐酸洗涤、烘干、研磨，最后得到氧化石墨烯；所述石墨粉与硝酸钠的质量比为2:1，浓硫酸与石墨粉的混合比例为23mL/mg，高锰酸钾与石墨粉的质量比为3:1。
6.权利要求1或2所述的一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂在卤代苯与苯硼酸的Suzuki反应中的应用。
7.根据权利要求6所述的一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的应用，其特征在于其应用方法为：反应氛围在空气中进行，以金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂为催化剂，反应溶剂为N,N-二甲酰胺，碱为三乙胺，反应温度为80~90℃，反应时间为0.5~5h，卤代苯、苯硼酸与碱的摩尔比为卤代苯:苯硼酸:碱摩尔=1:1.5~2.0:2.0~4.0，催化剂为卤代苯的0.05~0.5mol%(钯含量计算)；反应结束后经过滤分离回收催化剂，催化剂继续下一次反应。
8.根据权利要求7所述的一种金属有机框架/石墨烯负载钯纳米复合催化剂的应用，其特征在于所述卤代苯为碘代苯、溴代苯、氯代苯中的任意一种。
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