CN112354563B - 一种负载磷钨酸的碳催化剂、其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负载磷钨酸的碳催化剂、其制备方法和应用。一种负载磷钨酸的碳催化剂,包括碳载体和负载在所述碳载体上的磷钨酸,所述的碳载体是以天然生物质为原料制备的无定形碳材料,所述的碳载体的比表面积为20‑500m2/g,所述的磷钨酸在催化剂中的质量含量为32%‑65%。本发明采用浸渍法制备了一种将磷钨酸均匀稳定负载于介孔碳材料载体上的固体酸催化剂,所使用的碳材料由废弃生物质原料在氮气保护下高温不完全炭化所得,经过磷钨酸负载所得催化剂的酸值媲美工业用液体酸催化剂。
Description
技术领域
本发明涉及负载型固体酸催化剂技术领域,尤其涉及一种负载磷钨酸的碳催化剂、其制备方法和应用。
背景技术
固体酸催化剂被广泛用于氧化、还原、缩合、加成和酯化反应中。磷钨酸是一种多功能的催化剂,具有很高的催化活性,稳定性好,可作均相及非均相反应,甚至可作相转移催化剂,对环境无污染,是绿色催化剂。相较于分子筛、MOF材料、高分子聚合物材料和石墨烯、碳纳米管、纤维素纳米晶等制备过程复杂的载体材料,为了获得同等程度的催化活性,采用废弃的生物质资源--蔗渣制备生物质基多孔碳材料作为催化剂载体,可以大大降低能源与资源的消耗。近年来,由于常规矿物资源短缺日渐突出,积极开发资源可持续利用技术,以农业废弃物取之不尽,用之不竭等特点建立可持续发展的能源系统,对促进社会的稳定和全面发展以及生态环境的改善,具有极其重要的意义。。
发明内容
本发明提供了一种负载磷钨酸的碳催化剂、其制备方法和应用,本发明采用浸渍法制备了一种将磷钨酸均匀稳定负载于介孔碳材料载体上的固体酸催化剂,该催化剂对环境友好、稳定性高且催化能力强。
本发明的目的是提出了一种负载磷钨酸的碳催化剂,包括碳载体和负载在所述碳载体上的磷钨酸,所述的碳载体是以天然生物质为原料制备的无定形碳材料,所述的碳载体的比表面积为20-500 m2/g,所述的磷钨酸在催化剂中的质量含量为32%-65%。磷钨酸以-C-P-C-共价键的方式负载于碳载体表面。
本发明的另一个目的是提出了上述负载磷钨酸的碳催化剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)取天然生物质材料烘干、粉碎后,在氮气保护下150℃-300℃煅烧1-3 h,得到黑色粉末;
(2)将步骤(1)所得黑色粉末、磷钨酸加入溶剂中,室温搅拌后,再蒸发去除多余的溶剂,得到粉末混合物;
(3)将步骤(2)所得粉末混合物置于反应容器中300℃-600℃煅烧1-10 h,得到黑色粉末,即为所述的负载磷钨酸的碳催化剂。
优选地,步骤(1)所述的天然生物质材料选自甘蔗渣、玉米芯和木屑中的一种。
本发明以甘蔗渣、玉米芯或木屑为原料制备了一种负载了环境友好磷钨酸的固体酸催化剂。相较于传统载体材料,蔗渣基碳材料由于其残留含氧基团数量上的优势,能大大提高磷钨酸的负载量,这为后续催化反应效率的提高提供了更多的支持。相较于常见的以硫酸基团为活性催化中心的碳基固体酸催化剂,本发明采用环境友好的磷钨酸取代硫酸,在制备和使用过程中降低了对环境的损害。
优选地,步骤(2)所述的溶剂为甲醇或乙醇,所述的黑色粉末与磷钨酸的质量之和与溶剂的质量体积比为1:10-12.6 g/mL。
优选地,步骤(2)磷钨酸与所述的黑色粉末的质量比为50-260:1(mg/g)。
进一步优选,步骤(2)磷钨酸与所述的黑色粉末的质量比为50-160:1(mg/g)。
优选地,步骤(2)所述的室温搅拌时间为12-24 h。
本发明还保护所述的负载磷钨酸的碳催化剂在葡萄糖异构化反应中的应用。
优选地,将所述的负载磷钨酸的碳催化剂、无水葡萄糖、去离子水加入水热反应容器中进行水热反应,反应结束后用冰水浴终止反应,取反应液过滤,稀释,然后进行液相分析,产物包括果糖和羟甲基糠醛。负载磷钨酸的碳催化剂与无水葡萄糖的质量比为1:3,负载磷钨酸的碳催化剂与水的质量体积比为50:1 g/mL,水热反应的条件为150℃反应4 h。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明采用浸渍法制备了一种将磷钨酸均匀稳定负载于介孔碳材料载体上的固体酸催化剂,所使用的碳材料由废弃生物质原料在氮气保护下高温不完全炭化所得,经过磷钨酸负载所得催化剂的酸值媲美工业用液体酸催化剂(酸度见图1),由图1可见负载磷钨酸的碳催化剂的主峰位于强酸位段(>500oC)。
2、本发明提出的负载磷钨酸的碳催化剂是一种对环境友好、稳定性高且催化能力强的固体酸催化剂。
附图说明
图1是NH3在实施例1制备得到负载磷钨酸的碳催化剂上的吸附-脱附谱图。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明,而不是对本发明的限制。除特别说明,本发明使用的设备和试剂为本技术领域常规市购产品。
实施例1
取甘蔗渣100 g自然晒干,用中药粉碎机粉碎,收集400目及以上粉末组分,采用质量分数为10%的稀盐酸浸泡24 h,蒸馏水洗涤至洗出液pH中性,在烘箱中80℃烘干24小时,取20 g该粉末置于马弗炉中在氮气保护下加热到150℃保持2 h,得到的黑色粉末备用。
将350 mg磷钨酸与5 g上述黑色粉末混合以甲醇为溶剂分散,室温搅拌18小时后,采用蒸发去除多余的溶剂,得到粉末混合物。将所得粉末混合物置于马弗炉中在氮气保护下370℃煅烧2小时,得到黑色粉末,用蒸馏水洗涤烘干即为所制的负载磷钨酸的碳催化剂。
将所制备的负载磷钨酸的碳催化剂100 mg、无水葡萄糖300 mg、去离子水2 mL加入水热反应釜中,在150℃下反应4个小时,反应结束后用冰水浴终止反应。取反应液过滤,稀释,然后进行液相分析,分析得葡萄糖转化率为68%,果糖产率为32%,羟甲基糠醛产率为9%,果糖选择性为66%。
对比例1
取甘蔗渣100 g晒干,用中药粉碎机粉碎,收集400目及以上粉末组分,取20 g该粉末置于马弗炉中在氮气保护下加热到400℃保持2小时,得到的黑色粉末,取100 mg所得黑色粉末、无水葡萄糖300 mg、去离子水2 mL加入水热反应釜中,在150℃下反应4个小时,反应结束后用冰水浴终止反应。取反应液过滤,稀释,然后进行液相分析,分析得葡萄糖转化率为0%,果糖产率为0%,羟甲基糠醛产率为0%。
对比例2
取甘蔗渣100 g晒干,用中药粉碎机粉碎,收集400目及以上粉末组分,取20 g该粉末置于马弗炉中在氮气保护下加热到400℃保持2小时,所得黑色粉末按1:10的质量体积比与浓度大于等于96%的浓硫酸混合,于140℃条件下加热搅拌8小时,用蒸馏水洗涤至洗出液pH中性,收集黑色沉淀,烘干,得到固体酸催化剂。
取所得固体酸催化剂100 mg、无水葡萄糖300 mg、去离子水2 mL加入水热反应釜中,在150℃下反应4个小时,反应结束后用冰水浴终止反应。取反应液过滤,稀释,然后进行液相分析,分析得葡萄糖转化率为11%,果糖产率为0%,羟甲基糠醛产率为2%。
对比例3
将50 mg磷钨酸固体粉末、无水葡萄糖300 mg、去离子水2 mL加入水热反应釜中,在150°C下反应4个小时,反应结束后用冰水浴终止反应。取反应液过滤,稀释,然后进行液相分析,分析得葡萄糖转化率为28%,果糖产率为11%,羟甲基糠醛产率为3%,果糖选择性为39%。
对比例4
将4.00 g SiO2倒入40 mL HNO3水溶液(30%)中,在70℃下回流1个小时,然后将反应混合物过滤,用水洗涤3遍,在真空烘箱中在65℃下干燥,将3.00 g 所得粉末加入6 mL甲苯中(含1 mL氨基丙基三甲氧基硅烷(ATS)作为粘合剂),然后将其置于80 MHz的超声发生器中10分钟,接着在70℃加热70 min以500 rpm的转速搅拌,反应结束后收集混合物在真空炉中65℃干燥,将1 g 所得干燥粉末与1.5 g 磷钨酸混合,并使用6 mL甲醇作为溶剂。将反应混合物在30℃下以2000 rpm搅拌20 h,然后过滤,用甲醇洗涤3次,在65℃的真空烘箱中干燥,得到负载磷钨酸的硅基催化剂。
取所得负载磷钨酸的硅基催化剂100 mg、无水葡萄糖300 mg、去离子水2 mL加入水热反应釜中,在150℃下反应4个小时,反应结束后用冰水浴终止反应。取反应液过滤,稀释,然后进行液相分析,分析得葡萄糖转化率为71%,果糖产率为10%,羟甲基糠醛产率为15%。
由实施例1和对比例1-4作比可见,以甘蔗渣为原料制备得到得碳载体负载磷钨酸,用于葡萄糖异构化反应中,果糖产率和果糖选择性均是最高。
实施例2
与实施例1相同,不同之处在于:生物质原料为玉米芯。对产物分析得葡萄糖转化率为56%,果糖产率为29%,羟甲基糠醛产率为14%,果糖选择性为52%。
实施例3
与实施例1相同,不同之处在于:生物质原料为木屑。对产物分析得得葡萄糖转化率为68%,果糖产率为32%,羟甲基糠醛产率为9%,果糖选择性为66%。
由实施例1-3得出,甘蔗渣、玉米芯和木屑均作为生物质原料制备得到的碳载体负载磷钨酸,用于葡萄糖异构化反应中,葡萄糖的转化率、果糖产率和果糖选择性大大不同,甘蔗渣制得的碳载体负载磷钨酸的碳催化剂的葡萄糖的转化率、果糖产率和果糖选择性均是最高。
实施例4
取玉米芯100 g晒干,用中药粉碎机粉碎,收集400目及以上粉末组分,采用质量分数为10%的稀盐酸浸泡24 h,蒸馏水洗涤至洗出液pH中性,在烘箱中80℃烘干24小时,取20g该粉末置于马弗炉中在氮气保护下加热到180℃保持2 h,得到的黑色粉末备用。
将400 mg磷钨酸与5 g上述黑色粉末混合以甲醇为溶剂分散,室温搅拌16 h后,采用蒸发去除多余的溶剂。将所得粉末混合物置于马弗炉中在氮气保护下450℃煅烧2 h,得到黑色粉末用蒸馏水洗涤烘干即为所制的负载磷钨酸的碳催化剂。
将所制备的负载磷钨酸的碳催化剂100 mg、无水葡萄糖300 mg、去离子水2 mL加入水热反应釜中,在150℃下反应4 h,反应结束后用冰水浴终止反应。取反应液过滤,稀释,然后进行液相分析,分析得葡萄糖转化率为56%,果糖产率为29%,羟甲基糠醛产率为14%,果糖选择性为52%。
实施例5
取木屑100 g晒干,用中药粉碎机粉碎,收集400目及以上粉末组分,采用质量分数为10%的稀盐酸浸泡24 h,蒸馏水洗涤至洗出液pH中性,在烘箱中80℃烘干24 h,取20 g该粉末置于马弗炉中在氮气保护下加热到200℃保持2 h,得到的黑色粉末备用。
将500 mg磷钨酸与5 g上述黑色粉末混合以乙醇为溶剂分散,室温搅拌14 h后,采用蒸发去除多余的溶剂。将所得粉末混合物置于马弗炉中在氮气保护下400℃煅烧2 h,得到黑色粉末用蒸馏水洗涤烘干即为所制的负载磷钨酸的碳催化剂。
将所制备的负载磷钨酸的碳催化剂100 mg、无水葡萄糖300 mg、去离子水2 mL加入水热反应釜中,在150℃下反应4 h,反应结束后用冰水浴终止反应。取反应液过滤,稀释,然后进行液相分析,分析得葡萄糖转化率为75%,果糖产率为37%,羟甲基糠醛产率为13%,果糖选择性为49%。
实施例6-12
参考实施例1,制备条件变化以及所得结果如下表1所示:
由表1得出,预烧温度、分散溶剂、浸渍加料比、煅烧温度都对最终所制备催化剂的催化性能产生影响。以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,上述优选实施方式不应视为对本发明的限制,本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明的精神和范围内,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种负载磷钨酸的碳催化剂,其特征在于,包括碳载体和负载在所述碳载体上的磷钨酸,所述的碳载体是以天然生物质为原料制备的无定形碳材料,所述的碳载体的比表面积为20-500 m2/g,所述的磷钨酸在催化剂中的质量含量为32%-65%;
所述的负载磷钨酸的碳催化剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)取天然生物质材料烘干、粉碎后,在氮气保护下150℃-300℃煅烧1-3 h,得到黑色粉末;
(2)将步骤(1)所得黑色粉末、磷钨酸加入溶剂中,室温搅拌后,再蒸发去除多余的溶剂,得到粉末混合物;
(3)将步骤(2)所得粉末混合物置于反应容器中300℃-600℃煅烧1-10 h,得到黑色粉末,即为所述的负载磷钨酸的碳催化剂。
2.根据权利要求1所述的负载磷钨酸的碳催化剂,其特征在于,步骤(1)所述的天然生物质材料选自甘蔗渣、玉米芯和木屑中的一种。
3.根据权利要求1所述的负载磷钨酸的碳催化剂,其特征在于,步骤(2)所述的溶剂为甲醇或乙醇,所述的黑色粉末与磷钨酸的质量之和与溶剂的体积比为1:10-12.6 g/mL。
4.根据权利要求1所述的负载磷钨酸的碳催化剂,其特征在于,步骤(2)所述的磷钨酸与黑色粉末的质量比为50-260:1,其单位是mg/g。
5.根据权利要求4所述的负载磷钨酸的碳催化剂,其特征在于,步骤(2)所述的磷钨酸与所黑色粉末的质量比为50-160:1,其单位是mg/g。
6.根据权利要求1所述的负载磷钨酸的碳催化剂,其特征在于,步骤(2)所述的室温搅拌时间为12-24 h。
7.权利要求1所述的负载磷钨酸的碳催化剂在葡萄糖异构化反应中的应用,其特征在于,将所述的负载磷钨酸的碳催化剂、无水葡萄糖、去离子水加入水热反应容器中进行水热反应,反应结束后用冰水浴终止反应,取反应液过滤,稀释,然后进行液相分析,产物包括果糖和羟甲基糠醛。
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Catalytic capability of phosphotungstic acid supported on bamboo activated carbon in esterification for biodiesel production with density functional theory;Yilin Ning, et al;《Biomass and Bioenergy》;20201112;第143卷;第2页右栏第2-3段及表1 * |
Yilin Ning, et al.Catalytic capability of phosphotungstic acid supported on bamboo activated carbon in esterification for biodiesel production with density functional theory.《Biomass and Bioenergy》.2020,第143卷 * |
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