CN108325551B - 一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及催化剂领域，特别涉及一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂及其制备方法，包括海藻酸钠、己二胺、过渡金属可溶性盐和氨气为原料，由海藻酸钠、己二胺混合水溶液经蒸发水分、焙烧、清洗干燥后，浸渍过渡金属可溶性盐水溶液，再经干燥后，在氨气气氛中焙烧而成。本发明催化剂应用于胺胺偶联合成亚胺反应，催化活性高，对亚胺选择性好，无需使用特殊氧化试剂和溶剂，并且可循环使用，不含贵金属元素，能显著降低催化剂的使用成本，可替代常用的以钌、金等贵金属络合物组成的催化剂。本发明具有显著的市场价值。
Description
技术领域
本发明涉及催化剂领域，特别涉及一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂及其制备方法。
背景技术
亚胺是羰基上的氧原子被氮原子取代后所形成的有机化合物，是一类性质活泼的中间体，能够发生还原、加成、缩合和环加成等一系列的反应。另外，亚胺类化合物具有很好的抗菌作用，它的药理学活性和生物学活性使其在医药和生物领域得到广泛的关注。
亚胺传统的合成方法是醛胺脱水生成亚胺，但该方法原子经济性低，操作麻烦，对环境污染严重，而且由于醛或酮等羰基化合物较为活拨，会导致一些副反应的发生，使得亚胺的产率较低。由亚胺的结构可知，胺-胺氧化偶联合成亚胺是较为理想方法之一。由于胺来源广泛，理论上胺可任意组合生成多种亚胺，且反应原子经济性高，对环境友好。因此，胺-胺氧化偶联合成亚胺的方法已经成为当前研究的热点。然而，此反应体系常见的催化剂多为钌、金等贵金属络合物，这类均相催化剂存在难以分离，不可回收利用等缺点。尽管目前出现了光催化、仿生催化等新型的催化体系，但是这些方法常需要特殊设备、催化剂不稳定、适用范围窄、价格昂贵等问题，很难进入大规模的工业应用。因此，研制一种新型高效催化剂来实现胺胺偶联合成亚胺势在必行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术存在的不足，提供一种催化效率高、可回收、无污染、成本低的一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂及其制备方法。
本发明的技术解决方案是：一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂，所述催化剂由海藻酸钠、己二胺混合水溶液经蒸发、焙烧、清洗干燥得到固体粉末，喷雾浸渍过渡金属可溶性盐水溶液，干燥后，在氨气气氛中焙烧而成。
进一步的，所述海藻酸钠、己二胺混合水溶液中，海藻酸钠和己二胺的摩尔比为1:0.15～0.7，海藻酸钠质量分数为2～6％。
进一步的，所述过渡金属可溶性盐水溶液为0.1～0.3mol/L。
进一步的，所述催化剂中，碳元素的质量分数为72～96％，氮元素的质量分数为1～6％，过渡金属的质量分数为3～12％。
进一步的，所述过渡金属为铜或镍。
进一步的，还包括一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)配制海藻酸钠和己二胺的混合水溶液；(2)将上述溶液先在60℃～100℃下干燥12～36h，再在100℃～120℃干燥至去除全部水分，将得到的固体粉碎成粉末；(3)将粉末在氮气气氛中，以2～6℃/min的升温速度至600℃～900℃，焙烧1～3h，然后缓慢降至常温，得碳基催化剂前驱体；(4)将催化剂前驱体先用乙酸溶液浸泡洗涤，再用清水洗涤，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥，得干燥粉末；(5)根据干燥粉末质量和金属负载量，配制所需量的过渡金属可溶性盐水溶液；将溶液通过喷雾的方式浸渍到粉末中，静置8～16小时后，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥；(6)将步骤(5)中生成的干燥粉末置于管式炉中，在氨气气氛中，以2～6℃/min的升温速度升温至600℃～800℃，焙烧1～3h，然后自然降至常温，即得氮掺杂碳基过渡金属催化剂。
进一步的，所述氨气气氛的流量为10～80ml/min。
进一步的，包括所述的一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂在胺胺偶联合成亚胺中的应用。
本发明氮掺杂碳基过渡金属催化剂M-C-N采用含氮原料及氨气两步处理制备出高氮掺杂量的碳基过渡金属催化剂，碳基包覆过渡金属，催化活性高，对亚胺选择性好，并且可循环使用，降低了催化剂的使用成本。该催化剂催化胺胺偶联合成亚胺时，无需使用专用的氧化试剂和溶剂，只需在空气气氛中反应即可，环境友好，步骤简单。本发明制备的M-C-N催化剂无贵金属组分，原料廉价，成本低；合成过程易于操作，适合工业化批量生产。
附图说明
图1为本发明一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂-铜SEM照片；
图2为本发明一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂-镍SEM照片。
具体实施方式
实施例1
取0.9千克海藻酸钠和0.2千克己二胺，配制海藻酸钠质量分数2～6％的混合水溶液；将上述溶液先在60℃～100℃下干燥12～36h，再在100℃～120℃干燥至去除全部水分，将得到的固体粉碎成粉末；将粉末在氮气气氛中，以2～6℃/min的升温速度至600℃～900℃，焙烧1～3h，然后缓慢降至常温，得碳基催化剂前驱体；将催化剂前驱体先用乙酸溶液浸泡洗涤，再用清水洗涤，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥，得干燥粉末；配制0.2L的0.15mol/L硝酸铜水溶液；将溶液通过喷雾的方式浸渍到粉末中，静置8～16小时后，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥；将生成的干燥粉末置于管式炉中，在40ml/min流动氨气气氛中，以2～6℃/min的升温速度升温至600℃～800℃，焙烧1～3h，然后自然降至常温，即得氮掺杂碳基铜催化剂产品1。
实施例2
取0.9千克海藻酸钠和0.2千克己二胺，配制海藻酸钠质量分数2～6％的混合水溶液；将上述溶液先在60℃～100℃下干燥12～36h，再在100℃～120℃干燥至去除全部水分，将得到的固体粉碎成粉末；将粉末在氮气气氛中，以2～6℃/min的升温速度至600℃～900℃，焙烧1～3h，然后缓慢降至常温，得碳基催化剂前驱体；将催化剂前驱体先用乙酸溶液浸泡洗涤，再用清水洗涤，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥，得干燥粉末；配制0.22L的0.15mol/L硝酸镍水溶液；将溶液通过喷雾的方式浸渍到粉末中，静置8～16小时后，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥；将生成的干燥粉末置于管式炉中，在40ml/min流动氨气气氛中，以2～6℃/min的升温速度升温至600℃～800℃，焙烧1～3h，然后自然降至常温，即得氮掺杂碳基镍催化剂产品2。
实施例3
取0.9千克海藻酸钠和0.2千克己二胺，配制海藻酸钠质量分数2～6％的混合水溶液；将上述溶液先在60℃～100℃下干燥12～36h，再在100℃～120℃干燥至去除全部水分，将得到的固体粉碎成粉末；将粉末在氮气气氛中，以2～6℃/min的升温速度至600℃～900℃，焙烧1～3h，然后缓慢降至常温，得碳基催化剂前驱体；将催化剂前驱体先用乙酸溶液浸泡洗涤，再用清水洗涤，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥，得干燥粉末；配制0.2L的0.15mol/L硝酸铜水溶液；将溶液通过喷雾的方式浸渍到粉末中，静置8～16小时后，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥；将生成的干燥粉末置于管式炉中，在60ml/min流动氨气中，以2～6℃/min的升温速度升温至600℃～800℃，焙烧1～3h，然后自然降至常温，即得氮掺杂碳基铜催化剂产品3。
实施例4
取0.9千克海藻酸钠和0.2千克己二胺，配制海藻酸钠质量分数2～6％的混合水溶液；将上述溶液先在60℃～100℃下干燥12～36h，再在100℃～120℃干燥至去除全部水分，将得到的固体粉碎成粉末；将粉末在氮气气氛中，以2～6℃/min的升温速度至600℃～900℃，焙烧1～3h，然后缓慢降至常温，得碳基催化剂前驱体；将催化剂前驱体先用乙酸溶液浸泡洗涤，再用清水洗涤，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥，得干燥粉末；配制0.22L的0.15mol/L硝酸镍水溶液；将溶液通过喷雾的方式浸渍到粉末中，静置8～16小时后，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥；将生成的干燥粉末置于管式炉中，在60ml/min流动氨气中，以2～6℃/min的升温速度升温至600℃～800℃，焙烧1～3h，然后自然降至常温，即得氮掺杂碳基镍催化剂产品4。
实施例5
取0.9千克海藻酸钠和0.4千克己二胺，配制海藻酸钠质量分数2～6％的混合水溶液；将上述溶液先在60℃～100℃下干燥12～36h，再在100℃～120℃干燥至去除全部水分，将得到的固体粉碎成粉末；将粉末在氮气气氛中，以2～6℃/min的升温速度至600℃～900℃，焙烧1～3h，然后缓慢降至常温，得碳基催化剂前驱体；将催化剂前驱体先用乙酸溶液浸泡洗涤，再用清水洗涤，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥，得干燥粉末；配制0.2L的0.15mol/L硝酸铜水溶液；将溶液通过喷雾的方式浸渍到粉末中，静置8～16小时后，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥；将生成的干燥粉末置于管式炉中，在60ml/min流动氨气中，以2～6℃/min的升温速度升温至600℃～800℃，焙烧1～3h，然后自然降至常温，即得氮掺杂碳基铜催化剂产品5。
实施例6
取0.9千克海藻酸钠和0.4千克己二胺，配制海藻酸钠质量分数2～6％的混合水溶液；将上述溶液先在60℃～100℃下干燥12～36h，再在100℃～120℃干燥至去除全部水分，将得到的固体粉碎成粉末；将粉末在氮气气氛中，以2～6℃/min的升温速度至600℃～900℃，焙烧1～3h，然后缓慢降至常温，得碳基催化剂前驱体；将催化剂前驱体先用乙酸溶液浸泡洗涤，再用清水洗涤，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥，得干燥粉末；配制0.22L的0.15mol/L硝酸镍水溶液；将溶液通过喷雾的方式浸渍到粉末中，静置8～16小时后，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥；将生成的干燥粉末置于管式炉中，在60ml/min流动氨气中，以2～6℃/min的升温速度升温至600℃～800℃，焙烧1～3h，然后自然降至常温，即得氮掺杂碳基镍催化剂产品6。
将实施例中获得的产品催化剂用于胺胺偶联合成亚胺，具体使用步骤为：取一级胺于带冷凝回流装置的反应釜中，加入一级胺质量10％的氮掺杂碳基过渡金属催化剂，强力搅拌，加热至110℃，反应16h；之后降至室温，向反应混合物加入乙醇直至无固体产物，继续搅拌，然后过滤催化剂，以重复使用；减压蒸馏得到上清液，可得到粗亚胺，用甲苯洗涤粗亚胺，得纯亚胺产品。
本申请实施例中的催化剂产品与胺胺偶联合成亚胺的参比催化剂碳负载纳米金Au/C相比，具有较高的转化率和选择性，表1为各种催化剂催化性能的对比。
表1各种催化剂性能对比
由上表可以看出，本申请氮掺杂碳基过渡金属催化剂在胺胺偶联合成亚胺反应中，催化活性高，其反应物的转化率和选择性都较Au/C催化剂高，并且在反应过程中，不需要其他专用的氧化试剂和溶剂，在反应完成后，催化剂回收重复利用，并且催化剂不含贵金属组分，具有良好的成本优势。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂，其特征在于：所述催化剂由海藻酸钠、己二胺混合水溶液经蒸发水分、焙烧、清洗干燥后，浸渍过渡金属可溶性盐水溶液，再经干燥后，在氨气气氛中焙烧而成，所述过渡金属为铜或镍。
2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂，其特征在于：所述海藻酸钠、己二胺混合水溶液中，海藻酸钠和己二胺的摩尔比为1:0.15～0.7，海藻酸钠质量分数为2～6％。
3.根据权利要求1或2所述的一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂，其特征在于：所述过渡金属可溶性盐水溶液为0.1～0.3mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂，其特征在于：所述催化剂中，碳元素的质量分数为72～96％，氮元素的质量分数为1～6％，过渡金属的质量分数为3～12％。
5.根据权利要求3所述的一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)配制海藻酸钠和己二胺的混合水溶液；
(2)将上述溶液先在60℃～100℃下干燥12～36h，再在100℃～120℃干燥至去除全部水分，将得到的固体粉碎成粉末；
(3)将粉末在氮气气氛中，以2～6℃/min的升温速度至600℃～900℃，焙烧1～3h，然后缓慢降至常温，得碳基催化剂前驱体；
(4)将催化剂前驱体先用乙酸溶液浸泡洗涤，再用清水洗涤，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥，得干燥粉末；
(5)根据干燥粉末质量和金属负载量，配制所需量的过渡金属可溶性盐水溶液；将溶液通过喷雾的方式浸渍到粉末中，静置8～16小时后，在30℃～60℃下干燥8～16h，再在90℃～110℃直至完全干燥；
(6)将步骤(5)中生成的干燥粉末置于管式炉中，在氨气气氛中，以2～6℃/min的升温速度升温至600℃～800℃，焙烧1～3h，然后自然降至常温，即得氮掺杂碳基过渡金属催化剂。
6.根据权利要求5所述的一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于：所述氨气气氛的流量为10～80mL/min 。
7.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳基过渡金属催化剂在胺胺偶联合成亚胺中的应用。
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