CN106861743A - 一种氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂、其制备方法及用途 - Google Patents

一种氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂、其制备方法及用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂，铜镍的总质量为氮硫共掺杂活性炭的3.5‑5.0％；所述铜镍的摩尔比为1:0.1～1:0.3；所述氮硫共掺杂活性炭中氮元素的量为所述氮硫共掺杂活性炭质量的1～3％，硫元素的量为所述氮硫共掺杂活性炭质量的2～4％。本发明还公开了所述氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂的制备方法及用途。

Description

一种氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂、其制备方 法及用途
技术领域
本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂、其制备方法及用途。
背景技术
活性炭负载金属纳米颗粒催化剂由于其良好的催化活性，已经越来越多地应用于各种化学合成中。将贵金属钯、铂、金等负载在活性炭载体上制备的负载型催化剂，具有良好的催化活性和稳定性，可以广泛应用于催化氢化、催化氧化以及电化学等多种化学反应中。钯碳催化剂由于催化活性较高，可以用于硝基芳香烃的催化氢化制备对应的氨基芳香化合物。但是现有的钯碳催化剂对硝基和其他还原性基团，如碳碳双键、醛基、腈基等没有选择性，严重影响了其应用范围。而且，由于贵金属钯的价格较高，不利于该催化剂的大规模使用。
对活性炭进行氮掺杂改性，可以增加其比表面积，并且可以通过调整其氮含量改善其电子结构，使其对不同的有机基团具有不同的吸附能力。以其作为载体负载金属纳米颗粒以后，其催化活性可以明显提高。专利CN 104785255 A报道了一种氮掺杂活性炭为载体的钌系氨合成催化剂的制备方法，相比于普通活性炭载体，该催化剂的活性有了显著提高。专利CN 101352681 A以氮掺杂活性炭为载体制备了新型的低温SCR催化剂，并取得了很好的效果。
专利CN 103979533 A制备了氮硫共掺杂的活性炭，其具有良好的电容特性。对活性炭进行氮硫共掺杂，可以进一步改善活性炭的电子结构，可以提高其电学和催化特性。
DSD酸为英文4,4-Diaminostilbene-2,2’-disulfonic acid的简称，中文名为4,4’-二氨基二苯乙烯-2,2’-二磺酸。DSD酸是制造荧光剂、增白剂、防蛀剂的一种重要中间体，全世界的年产量在10万吨左右。DSD酸由4,4’-二硝基二苯乙烯-2,2’-二磺酸(DNS)的钠盐通过还原来制备，传统的还原方法采用铁粉还原，需加入大量添加剂，劳动强度大，而且对环境污染严重。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开的氮硫共掺杂活性炭负载Cu-Ni复合金属催化剂，使用氮硫共掺杂的活性炭代替普通活性炭，并利用Cu-Ni合金代替贵金属，制备方法简便，成本较低，并用于催化还原4,4’-二硝基二苯乙烯-2,2’-二磺酸的钠盐制备4,4’-二氨基二苯乙烯-2,2’-二磺酸的用途，选择性高。
本发明第一方面公开了一种氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂，铜镍的总质量为氮硫共掺杂活性炭的3.5-5.0％；所述铜镍的摩尔比为1:0.1～1:0.3；所述氮硫共掺杂活性炭中氮元素的量为所述氮硫共掺杂活性炭质量的1～3％，硫元素的量为所述氮硫共掺杂活性炭质量的2～4％。
本发明第二方面公开了所述的氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)氮硫共掺杂活性炭的制备，按质量比10:1～10:2.5将活性炭与硫代乙酰胺混合均匀后，在700～900℃下后保持1～2h，冷却至室温即得到所述的氮硫共掺杂活性炭；
(2)复合金属催化剂的制备：将CuSO4和NiSO4的混合物溶解在水中，将步骤(1)得到的所述氮硫共掺杂活性炭加入到上述溶液中，加入柠檬酸钠，搅拌均匀后在110～130℃下保持10～14h，过滤干燥即得到所述的氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂；柠檬酸钠起稳定剂和还原剂的作用，其对镍离子和铜离子进行还原以产生单质铜和单质镍。
在本发明第二方面的优选实施方案中，步骤(1)所述的活性炭与硫代乙酰胺混合均匀方法为将活性炭加入到硫代乙酰胺水溶液中混合均匀后将水蒸干。
在本发明第二方面的优选实施方案中，步骤(2)所述的CuSO4和NiSO4的摩尔比为1:0.1～1:0.3；所述氮硫共掺杂活性炭的加入量为铜镍的总质量占所述氮硫共掺杂活性炭质量的3.5％-5.0％。
本发明第三方面公开了所述的氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂用于催化还原4,4’-二硝基二苯乙烯-2,2’-二磺酸(DNS)的钠盐制备4,4’-二氨基二苯乙烯-2,2’-二磺酸(DSD)的用途；所用还原剂为氢气，还原过程清洁，对环境友好，选择性和产率都很高，而且催化剂能重复利用。
本发明的有益效果：
1、本发明的活性炭氮硫掺杂过程首次采用浸渍法，金属负载过程采用水热法，制备过程工艺简单，易于实现工业化。
2、本发明的活性炭成本低，来源广泛；被负载金属为Cu和Ni单质，不含贵金属，价格便宜，成本较低。
3、本发明的Cu颗粒在还原硝基芳香化合物时具有良好的选择性，Ni纳米颗粒的加入能明显提高催化剂的催化活性，能够加快反应速度，有效地降低生产成本。特别是在DNS还原制备DSD酸的过程中，催化剂用量少，无需另外加入添加剂，选择性和产率都高，氢气的使用使得反应过程基本无废弃物产生，生产过程清洁、且催化剂能循环利用。
附图说明
无
具体实施方式
实施例1
将10g活性炭和1g硫代乙酰胺加入到50mL去离子水中，充分搅拌后，加热到100℃，将水蒸发，干燥后置于管式炉中，以5℃/min速度程序升温至800℃，保持1h，然后降至室温得到氮硫共掺杂的活性炭。将1.24g CuSO4·5H2O和0.14g NiSO4·6H2O溶解在100mL去离子水中，然后加入10g制备好的氮硫共掺杂活性炭，搅拌，使其充分吸附后，加入2g柠檬酸钠，并转移至150mL水热反应釜中，置于马弗炉中升温至120℃，保持12h；冷却至室温，然后过滤干燥即可得到最终的氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂。
取100gDNS溶于50mL水中，充分溶解后，置于反应釜中，然后加入上述制备的催化剂1g，利用5bar的氢气置换釜中空气，升温至70℃反应4h，调节溶液pH至1.0，然后过滤，洗涤干燥后得DSD产品95.6g。
实施例2
将10g活性炭和1.8g硫代乙酰胺加入到50mL去离子水中，充分搅拌后，加热到100℃，将水蒸发，干燥后置于管式炉中，以5℃/min速度程序升温至800℃，保持1h，然后降至室温得到氮硫共掺杂的活性炭。将1.41g CuSO4·5H2O和0.18g NiSO4·6H2O溶解在100mL去离子水中，然后加入10g制备好的氮硫共掺杂活性炭，搅拌，使其充分吸附后，加入2g柠檬酸钠，并转移至150mL水热反应釜中，置于马弗炉中升温至120℃，保持12h。冷却至室温，然后过滤干燥即可得到最终的氮掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂。
取100gDNS溶于50mL水中，充分溶解后，置于反应釜中，然后加入上述制备的催化剂1g，利用5bar的氢气置换釜中空气，升温至70℃反应4h，调节溶液pH至1.0，然后过滤，洗涤干燥后得DSD产品96.8g。
实施例3
将10g活性炭和2.5g硫代乙酰胺加入到50mL去离子水中，充分搅拌后，加热到100℃，将水蒸发，干燥后置于管式炉中，以5℃/min速度程序升温至800℃，保持1h，然后降至室温得到氮硫共掺杂的活性炭。将1.48g CuSO4·5H2O和0.54g NiSO4·6H2O解在100mL去离子水中，然后加入制备的10g氮硫共掺杂活性炭，搅拌，使其充分吸附后，加入2g柠檬酸钠，并转移至150mL水热反应釜中，置于马弗炉中升温至120℃，保持12h。冷却至室温，然后过滤干燥即可得到最终的氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂。
取100gDNS溶于50mL水中，充分溶解后，置于反应釜中，然后加入上述制备的催化剂1g，利用5bar的氢气置换釜中空气，升温至70℃反应4h，调节溶液pH至1.0，然后过滤，洗涤干燥后得DSD产品98.0g。

Claims (4)

1.一种氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂，其特征在于，铜镍的总质量为氮硫共掺杂活性炭的3.5-5.0％；所述铜镍的摩尔比为1:0.1～1:0.3；所述氮硫共掺杂活性炭中氮元素的量为所述氮硫共掺杂活性炭质量的1～3％，硫元素的量为所述氮硫共掺杂活性炭质量的2～4％。
2.一种根据权利要求1所述的氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)氮硫共掺杂活性炭的制备，按质量比10:1～10:2.5将活性炭与硫代乙酰胺混合均匀后，在700～900℃下后保持1～2h，冷却至室温即得到所述的氮硫共掺杂活性炭；
(2)复合金属催化剂的制备：将CuSO4和NiSO4的混合物溶解在水中，将步骤(1)得到的所述氮硫共掺杂活性炭加入到上述溶液中，加入柠檬酸钠，搅拌均匀后在110～130℃下保持10～14h，过滤干燥即得到所述的氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的活性炭与硫代乙酰胺混合均匀的方法为将活性炭加入到硫代乙酰胺水溶液中混合均匀后将水份蒸干。
4.一种根据权利要求书1所述的氮硫共掺杂活性炭负载铜镍复合金属催化剂用于催化还原4,4’-二硝基二苯乙烯-2,2’-二磺酸的钠盐制备4,4’-二氨基二苯乙烯-2,2’-二磺酸的用途。
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