CN110327978B - 一种钇金属有机骨架负载贵金属催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钇金属有机骨架负载贵金属催化剂的制备方法,基于Y3+为金属节点,以1,3,5‑苯三甲酸(H3BTC)为有机配体,通过自组装形成的三维多孔金属有机骨架材料,合成方法简单,可明显提高金属有机骨架的耐水稳定性,应用前景广阔,在工业应用方面具有很高的价值。本发明制备的钇金属有机骨架负载贵金属催化剂中的钇金属有机骨架具有高耐水性,可负载金钯合金纳米颗粒,并在苯甲醇催化氧化反应中表现出高转化率、高选择性和优异的循环利用性,在实际应用中非常重要。
Description
技术领域
本发明属于催化剂制备技术领域,具体涉及一种钇金属有机骨架负载贵金属催化剂的制备方法。
背景技术
近年来,金属有机骨架(metal-organic frameworks,MOFs)得到了研究学者的广泛的关注。MOFs是通过金属离子/团簇与多齿有机配体的自组装而构建的结晶多孔材料。利用MOFs上高度分散且均匀分布的金属位点,可开发其在气体吸附和多相催化等方面的应用。含有开放金属位点(即配位不饱和的金属位点)的MOFs,有利于客体分子选择性进行催化环化和异构化反应。在过去的十年中,有超过20,000种不同种类的MOFs已经被设计和合成。但是高耐水性能的MOFs却鲜有报道。
由于MOFs的水稳定性差,极大限制了MOFs材料在催化领域的应用。金属离子/团簇与有机配体的结合强度是决定MOFs水稳定性的关键因素。而理论和实验结果表明,大多数情况下金属离子/团簇与有机配体的配位键较弱,其在水溶液中易受水分子的破坏而断裂导致MOF晶型、微观形貌发生改变。所以大多数工业应用过程要求MOFs对水/湿度具有一定的稳定性。因此,如何提高MOFs材料的耐水性能,是亟需解决的问题。
到目前为止,研究人员已经开发了多种方法来增强MOFs材料的耐水性能,主要采用以下两种方法。一种是直接合成疏水MOFs;另一种是后修饰MOFs,包括疏水客体分子的包封(如氟化分子、碳纳米管),以及通过有机配体置换等(J.Am.Chem.Soc.,2012,134,1486-1489)。例如,在MOFs晶体表面涂覆疏水聚合物,制备出MOF@聚合物的复合材料,该复合材料在含水介质中的结构稳定性优于原始MOFs(J.Am.Chem.Soc.,2014,136,16978-16981)。又如,CN 108192108 A公开的技术方案是以金属有机骨架置于离子液体的前驱体溶液中以提高金属有机骨架的稳定性。但是这些技术不具备普适性或者工艺流程复杂,需要用到有机溶剂和一定的压力才能实现。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷,提供一种钇金属有机骨架负载贵金属催化剂的制备方法。
本发明的技术方案如下:
一种钇金属有机骨架负载贵金属催化剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)将含Y3+的可溶性盐溶解于低级醇溶剂中,得到含Y3+醇溶液;
(2)将表面活性剂溶解于低级醇溶剂中,得到含表面活性剂醇溶液;
(3)将1,3,5-苯三甲酸溶解于低级醇溶剂和有机酰胺类溶剂以40-60∶40-60的体积比组成的混合溶剂中,缓慢加入步骤(2)所得的含表面活性剂醇溶液,继续搅拌1~20min;
(4)将步骤(1)所得的含Y3+醇溶液加入到步骤(3)所得的物料中,继续搅拌得到透明澄清溶液;
(5)将步骤(4)所得的透明澄清溶液于50-200℃进行水热反应10-60h,然后经过离心获得固体,再经该固体进行洗涤和干燥,获得钇金属有机骨架;
(6)将步骤(5)所得的钇金属有机骨架负载贵金属催化纳米颗粒后在氮气和/或惰性气体氛围下,以5~20℃/min的升温速率升温至200~400℃焙烧处理1~80min,得到所述钇金属有机骨架负载贵金属催化剂;
上述Y3+与1,3,5-苯三甲酸的摩尔比为1∶0.8-6。
在本发明的一个优选实施方案中,所述含Y3+的可溶性盐为硫酸钇、硝酸钇、氯化钇和醋酸钇中的至少一种。
在本发明的一个优选实施方案中,所述醇溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇和正丁醇中的至少一种。
在本发明的一个优选实施方案中,所述有机酰胺类溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺和N,N-二乙基甲酰胺。
在本发明的一个优选实施方案中,所述Y3+与1,3,5-苯三甲酸的摩尔比为1∶2。
在本发明的一个优选实施方案中,所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。
在本发明的一个优选实施方案中,所述表面活性剂与1,3,5-苯三甲酸的质量比为0.05-0.2∶1-6。
在本发明的一个优选实施方案中,所述惰性气体为氩气和/或氦气。
本发明的有益效果是:
1、本发明制备的钇金属有机骨架负载贵金属催化剂中的钇金属有机骨架具有高耐水性,可负载金钯合金纳米颗粒,并在苯甲醇催化氧化反应中表现出高转化率、高选择性和优异的循环利用性,在实际应用中非常重要。
2、本发明的制备方法基于Y3+为金属节点,以1,3,5-苯三甲酸(H3BTC)为有机配体,通过自组装形成的三维多孔金属有机骨架材料,合成方法简单,可明显提高金属有机骨架的耐水稳定性,应用前景广阔,在工业应用方面具有很高的价值。
附图说明
图1为本发明实例1所制备的钇金属有机骨架负载贵金属催化剂的X射线粉末衍射(XRD)图。XRD表征测试仪器为日本SmartLab型X射线粉末衍射仪,Cu靶Kα射线(λ=0.15406nm)作为辐射光源,管电压为40kV,管电流参数为30mA,扫描范围为5°~70°,扫描步长为0.02°。
图2为本发明实例3制备的原始Y-BTC(图2a)和高耐水Y-BTC的水接触角图(图2b)。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
(1)将1.92g硝酸钇溶解于50mL乙醇中,得到硝酸钇乙醇溶液;
(2)将聚乙烯吡咯烷酮溶解于的乙醇中,配制10mL浓度为10g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液;
(3)将4.2g 1,3,5-苯三甲酸溶解于100mL乙醇和N,N-二甲基甲酰胺以1∶1的体积比组成的混合溶剂中,缓慢加入步骤(2)所得的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液,继续搅拌10min;
(4)将步骤(1)所得的硝酸钇乙醇溶液加入到步骤(3)所得的物料中,继续搅拌10min,得到透明澄清溶液;
(5)将步骤(4)所得的透明澄清溶液于80℃进行水热反应20h,然后经过离心获得固体,再经该固体进行乙醇洗涤和干燥,得到钇金属有机骨架,记为原始Y-BTC;
(6)将步骤(5)所得的原始Y-BTC负载金钯纳米颗粒后放到管式炉中,在气体流量为50mL/min的氮气气氛下,以10℃/min的升温速率升温至300℃焙烧处理5min,得到钇金属有机骨架负载贵金属催化剂。
将本实施例制得的钇金属有机骨架负载贵金属催化剂应用于苯甲醇催化氧化反应,结果显示该催化剂对苯甲醇的转化率为55%,主产物苯甲醛的选择性为86%,可重复使用五次并保持初始的催化活性。而没有经过该焙烧处理的原始钇金属有机骨架负载贵金属催化剂,其负载金钯纳米颗粒后,应用于苯甲醇催化氧化反应,在其重复使用实验中,其活性不断下降,在重复使用二次后,其转化率急剧下降,仅为24.7%。
通过对原始Y-BTC和氮气焙烧之后的Y-BTC(记为:高耐水Y-BTC)进行XRD测试,将原始Y-BTC和高耐水性Y-BTC分别浸泡在去离子水中,用XRD表征其晶型变化。所得XRD数据如图1所示,说明用氮气焙烧后能够明显提高Y-BTC的耐水性能,其水浸泡5h后仍然维持原有MOFs晶型,而无修饰的原始Y-BTC,其水浸泡1h后晶型即发生明显变化。
实施例2
(1)将1.92g硝酸钇溶解于50mL乙醇中,得到硝酸钇乙醇溶液;
(2)将聚乙烯吡咯烷酮溶解于的乙醇中,配制10mL浓度为5g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液;
(3)将5g 1,3,5-苯三甲酸溶解于100mL乙醇和N,N-二甲基甲酰胺以1∶1的体积比组成的混合溶剂中,缓慢加入步骤(2)所得的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液,继续搅拌10min;
(4)将步骤(1)所得的硝酸钇乙醇溶液加入到步骤(3)所得的物料中,继续搅拌10min,得到透明澄清溶液;
(5)将步骤(4)所得的透明澄清溶液于80℃进行水热反应24h,然后经过离心获得固体,再经该固体进行乙醇洗涤和干燥,得到钇金属有机骨架,记为原始Y-BTC;
(6)将步骤(5)所得的原始Y-BTC放到管式炉中,在气体流量为50mL/min的氮气气氛下,以5℃/min的升温速率升温至300℃焙烧处理2min,得到高耐水Y-BTC。
将该高耐水Y-BTC应用于苯甲醇催化氧化反应,由于其没有负载贵金属纳米颗粒,故在催化反应中无明显活性。
实施例3
(1)将1.92g硝酸钇溶解于50mL乙醇中,得到硝酸钇乙醇溶液;
(2)将聚乙烯吡咯烷酮溶解于的乙醇中,配制10mL浓度为10g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液;
(3)将2.1g 1,3,5-苯三甲酸溶解于100mL乙醇和N,N-二甲基乙酰胺以1∶1的体积比组成的混合溶剂中,缓慢加入步骤(2)所得的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液,继续搅拌10min;
(4)将步骤(1)所得的硝酸钇乙醇溶液加入到步骤(3)所得的物料中,继续搅拌10min,得到透明澄清溶液;
(5)将步骤(4)所得的透明澄清溶液于100℃进行水热反应15h,然后经过离心获得固体,再经该固体进行乙醇洗涤和干燥,得到钇金属有机骨架,记为原始Y-BTC;
(6)将步骤(5)所得的原始Y-BTC负载金钯纳米颗粒后放到管式炉中,在气体流量为80mL/min的氮气气氛下,以10℃/min的升温速率升温至300℃焙烧处理10min,得到钇金属有机骨架负载贵金属催化剂。
将该钇金属有机骨架负载贵金属催化剂应用于苯甲醇催化氧化反应,结果显示该催化剂对苯甲醇的转化率为65%,主产物苯甲醛选择性为97%。可以重复使用五次并保持初始的催化活性。同时将制备得到的原始Y-BTC和高耐水Y-BTC分别进行水接触角测试。如图2所示,接触角图2(a)和(b)分别是3°和32°,说明了在氮气焙烧处理之后Y-BTC增强了疏水性。
实施例4
(1)将3.84g硝酸钇溶解于50mL乙醇中,得到硝酸钇乙醇溶液;
(2)将聚乙烯吡咯烷酮溶解于的乙醇中,配制10mL浓度为5g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液;
(3)将2.1g 1,3,5-苯三甲酸溶解于100mL乙醇和N,N-二甲基乙酰胺以1∶1的体积比组成的混合溶剂中,缓慢加入步骤(2)所得的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液,继续搅拌10min;
(4)将步骤(1)所得的硝酸钇乙醇溶液加入到步骤(3)所得的物料中,继续搅拌10min,得到透明澄清溶液;
(5)将步骤(4)所得的透明澄清溶液于80℃进行水热反应20h,然后经过离心获得固体,再经该固体进行乙醇洗涤和干燥,得到钇金属有机骨架,记为原始Y-BTC;
(6)将步骤(5)所得的原始Y-BTC负载金钯纳米颗粒后放到管式炉中,在气体流量为80mL/min的氮气气氛下,以5℃/min的升温速率升温至350℃焙烧处理10min,得到钇金属有机骨架负载贵金属催化剂。
将该钇金属有机骨架负载贵金属催化剂应用于苯甲醇催化氧化反应,结果显示该催化剂对苯甲醇的转化率为80%,主产物苯甲醛选择性为91%。实验结果表明该催化剂可以重复使用五次并保持初始的催化活性。
实施例5
(1)将3.84g硝酸钇溶解于50mL乙醇中,得到硝酸钇乙醇溶液;
(2)将聚乙烯吡咯烷酮溶解于的乙醇中,配制10mL浓度为10g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液;
(3)将2.88g 1,3,5-苯三甲酸溶解于100mL乙醇和N,N-二甲基甲酰胺以1∶1的体积比组成的混合溶剂中,缓慢加入步骤(2)所得的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液,继续搅拌10min;
(4)将步骤(1)所得的硝酸钇乙醇溶液加入到步骤(3)所得的物料中,继续搅拌10min,得到透明澄清溶液;
(5)将步骤(4)所得的透明澄清溶液于120℃进行水热反应10h,然后经过离心获得固体,再经该固体进行乙醇洗涤和干燥,得到钇金属有机骨架,记为原始Y-BTC;
(6)将步骤(5)所得的原始Y-BTC负载金钯纳米颗粒后放到管式炉中,在气体流量为50mL/min的氩气气氛下,以5℃/min的升温速率升温至300℃焙烧处理10min,得到钇金属有机骨架负载贵金属催化剂。
将该钇金属有机骨架负载贵金属催化剂应用于苯甲醇催化氧化反应,结果显示该催化剂对苯甲醇的转化率为66.8%,主产物苯甲醛选择性为90%。实验结果表明该催化剂可以重复使用五次并保持初始的催化活性。
实施例6
(1)将3.84g硝酸钇溶解于50mL乙醇中,得到硝酸钇乙醇溶液;
(2)将聚乙烯吡咯烷酮溶解于的乙醇中,配制10mL浓度为10g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液;
(3)将2.88g 1,3,5-苯三甲酸溶解于100mL乙醇和N,N-二甲基甲酰胺以1∶1的体积比组成的混合溶剂中,缓慢加入步骤(2)所得的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液,继续搅拌10min;
(4)将步骤(1)所得的硝酸钇乙醇溶液加入到步骤(3)所得的物料中,继续搅拌10min,得到透明澄清溶液;
(5)将步骤(4)所得的透明澄清溶液于80℃进行水热反应16h,然后经过离心获得固体,再经该固体进行乙醇洗涤和干燥,得到钇金属有机骨架,记为原始Y-BTC;
(6)将步骤(5)所得的原始Y-BTC负载金钯纳米颗粒后放到管式炉中,在气体流量为50mL/min的氩气气氛下,以10℃/min的升温速率升温至300℃焙烧处理15min,得到钇金属有机骨架负载贵金属催化剂。
将该钇金属有机骨架负载贵金属催化剂应用于苯甲醇催化氧化反应,结果显示该催化剂对苯甲醇的转化率为70.6%,主产物苯甲醛选择性为92.7%。发现该催化剂可以重复使用五次并保持初始的催化活性。而没有经过该焙烧处理的原始Y-BTC,其负载金钯纳米颗粒后,应用于苯甲醇催化氧化反应,在重复使用实验中,其活性不断下降。
实施例7
(1)将3.5g醋酸钇溶解于50mL乙醇中,得到醋酸钇乙醇溶液;
(2)将聚乙烯吡咯烷酮溶解于的乙醇中,配制20mL浓度为20g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液;
(3)将2.1g 1,3,5-苯三甲酸溶解于100mL乙醇和N,N-二甲基甲酰胺以1∶1的体积比组成的混合溶剂中,缓慢加入步骤(2)所得的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液,继续搅拌10min;
(4)将步骤(1)所得的醋酸钇乙醇溶液加入到步骤(3)所得的物料中,继续搅拌10min,得到透明澄清溶液;
(5)将步骤(4)所得的透明澄清溶液于60℃进行水热反应40h,然后经过离心获得固体,再经该固体进行乙醇洗涤和干燥,得到钇金属有机骨架,记为原始Y-BTC;
(6)将步骤(5)所得的原始Y-BTC放到管式炉中,在气体流量为80mL/min的氮气气氛下,以10℃/min的升温速率升温至350℃焙烧处理30min,得到高耐水Y-BTC。
将该高耐水Y-BTC应用于苯甲醇催化氧化反应,由于其没有负载贵金属纳米颗粒,结果显示该催化剂无明显的催化活性。
实施例8
(1)将1.92g硝酸钇溶解于50mL乙醇中,得到硝酸钇乙醇溶液;
(2)将聚乙烯吡咯烷酮溶解于的乙醇中,配制10mL浓度为20g/L的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液;
(3)将2.1g 1,3,5-苯三甲酸溶解于100mL乙醇和N,N-二甲基甲酰胺以1∶1的体积比组成的混合溶剂中,缓慢加入步骤(2)所得的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液,继续搅拌10min;
(4)将步骤(1)所得的硝酸钇乙醇溶液加入到步骤(3)所得的物料中,继续搅拌10min,得到透明澄清溶液;
(5)将步骤(4)所得的透明澄清溶液于80℃进行水热反应20h,然后经过离心获得固体,再经该固体进行乙醇洗涤和干燥,得到钇金属有机骨架,记为原始Y-BTC;
(6)将步骤(5)所得的原始Y-BTC负载金钯纳米颗粒后放到管式炉中,在气体流量为50mL/min的氮气气氛下,以10℃/min的升温速率升温至300℃焙烧处理5min,得到钇金属有机骨架负载贵金属催化剂。
将该钇金属有机骨架负载贵金属催化剂应用于苯甲醇催化氧化反应,对苯甲醇的转化率为73%,主产物苯甲醛选择性为90.3%,结果显示该催化剂可以重复使用五次并保持初始的催化活性。而没有经过该焙烧处理的原始Y-BTC,负载金钯纳米颗粒后,其应用于苯甲醇催化氧化反应,在重复使用实验中,其活性不断下降。
实施例9
(1)将1.92g硝酸钇溶解于50mL异丙醇中,得到硝酸钇异丙醇溶液;
(2)将聚乙烯吡咯烷酮溶解于的异丙醇中,配制10mL浓度为10g/L的聚乙烯吡咯烷酮异丙醇溶液;
(3)将4.2g 1,3,5-苯三甲酸溶解于100mL异丙醇和N,N-二甲基甲酰胺以1∶1的体积比组成的混合溶剂中,缓慢加入步骤(2)所得的聚乙烯吡咯烷酮异丙醇溶液,继续搅拌10min;
(4)将步骤(1)所得的硝酸钇异丙醇溶液加入到步骤(3)所得的物料中,继续搅拌10min,得到透明澄清溶液;
(5)将步骤(4)所得的透明澄清溶液于80℃进行水热反应20h,然后经过离心获得固体,再经该固体进行异丙醇洗涤和干燥,得到钇金属有机骨架,记为原始Y-BTC;
(6)将步骤(5)所得的原始Y-BTC负载金钯纳米颗粒后放到管式炉中,在气体流量为80mL/min的氮气气氛下,以10℃/min的升温速率升温至300℃焙烧处理50min,得到钇金属有机骨架负载贵金属催化剂。
将该钇金属有机骨架负载贵金属催化剂应用于苯甲醇催化氧化反应,对苯甲醇的转化率为63%,主产物苯甲醛选择性为88%,结果显示该催化剂可以重复使用五次并保持初始的催化活性。而没有经过该焙烧处理的原始Y-BTC,负载金钯纳米颗粒后,其应用于苯甲醇催化氧化反应,在重复使用实验中,其活性不断下降。
实施例10
(1)将4.66g硫酸钇溶解于50mL乙醇中,得到硫酸钇乙醇溶液;
(2)将聚乙烯吡咯烷酮溶解于的乙醇中,配制10mL浓度为5g/L的聚乙烯吡咯烷酮异丙醇溶液;
(3)将4.2g 1,3,5-苯三甲酸溶解于100mL乙醇和N,N-二甲基甲酰胺以1∶1的体积比组成的混合溶剂中,缓慢加入步骤(2)所得的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液,继续搅拌10min;
(4)将步骤(1)所得的硫酸钇乙醇溶液加入到步骤(3)所得的物料中,继续搅拌10min,得到透明澄清溶液;
(5)将步骤(4)所得的透明澄清溶液于80℃进行水热反应20h,然后经过离心获得固体,再经该固体进行乙醇洗涤和干燥,得到钇金属有机骨架,记为原始Y-BTC;
(6)将步骤(5)所得的原始Y-BTC负载金钯纳米颗粒后放到管式炉中,在气体流量为80mL/min的氮气气氛下,以20℃/min的升温速率升温至400℃焙烧处理2min,得到钇金属有机骨架负载贵金属催化剂。
将该钇金属有机骨架负载贵金属催化剂应用于苯甲醇催化氧化反应,结果显示该催化剂对苯甲醇的转化率为75%,主产物苯甲醛选择性为92%,可以重复使用五次并保持初始的催化活性。而没有经过该焙烧处理的原始Y-BTC,负载金钯纳米颗粒后,其应用于苯甲醇催化氧化反应,在重复使用实验中,其活性不断下降。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,故不能依此限定本发明实施的范围,即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰,皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (8)
1.一种钇金属有机骨架负载贵金属催化剂的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
(1)将含Y3+的可溶性盐溶解于低级醇溶剂中,得到含Y3+醇溶液;
(2)将表面活性剂溶解于低级醇溶剂中,得到含表面活性剂醇溶液;
(3)将1,3,5-苯三甲酸溶解于低级醇溶剂和有机酰胺类溶剂以40-60∶40-60的体积比组成的混合溶剂中,缓慢加入步骤(2)所得的含表面活性剂醇溶液,继续搅拌1~20min;
(4)将步骤(1)所得的含Y3+醇溶液加入到步骤(3)所得的物料中,继续搅拌得到透明澄清溶液;
(5)将步骤(4)所得的透明澄清溶液于50-200℃进行水热反应10-60h,然后经过离心获得固体,再经该固体进行洗涤和干燥,获得钇金属有机骨架;
(6)将步骤(5)所得的钇金属有机骨架负载贵金属催化纳米颗粒后在氮气和/或惰性气体氛围下,以5~20℃/min的升温速率升温至200~400℃焙烧处理1~80min,得到所述钇金属有机骨架负载贵金属催化剂;
上述Y3+与1,3,5-苯三甲酸的摩尔比为1∶0.8-6。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述含Y3+的可溶性盐为硫酸钇、硝酸钇、氯化钇和醋酸钇中的至少一种。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述醇溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇和正丁醇中的至少一种。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述有机酰胺类溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺和N,N-二乙基甲酰胺。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述Y3+与1,3,5-苯三甲酸的摩尔比为1∶2。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述表面活性剂与1,3,5-苯三甲酸的质量比为0.05-0.2∶1-6。
8.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述惰性气体为氩气和/或氦气。
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