CN112717960A - 一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法 - Google Patents

一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于纤维素平台分子转化的Pr‑P‑Ni催化剂的制备方法，通过共沉淀法制备Pr‑P‑Ni催化剂，包括：称取摩尔比Pr：Ni＝1:10‑3:5的镨源和镍源，镨源和镍源为易溶盐，镨源和镍源的易溶盐与极性溶剂配制成镨镍盐溶液，搅拌至澄清，将磷酸一氢盐溶液缓慢滴加到搅拌澄清的镨镍盐溶液中，继续搅拌至混合溶液为均一状态，过滤，获得沉淀，对沉淀进行离心洗涤，干燥，空气高温焙烧，氢气高温还原，最后降温至室温，即得以PrPO4/Ni2P为结构主体的Pr‑P‑Ni催化剂。本发明制备的Pr‑P‑Ni催化剂价廉、稳定性好、适于规模化生产，应用于纤维素平台分子乙酰丙酸、糠醛及顺丁烯二酸酐的加氢转化反应，具有反应条件相对温和、催化效率高的优点。

Description

一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及生物质转化应用化工技术领域，具体为一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法。
背景技术
纤维素作为一种丰富的可再生资源，被认为是可替代化石原料储备，也是燃料和其它化学品绿色、可持续生产的重要生物质化工转化基质之一。一般其转化过程起始于在酸性条件下先水解得到C3-C5类含氧碳氢化合物平台分子如乙酰丙酸(LA)，糠醛(FAL)及顺丁烯二酸酐(MA)等代表性平台分子，而后再以这些平台分子为底物进行高附加转化获取生物燃油、化工溶剂、香料香精等精细化学品。而研究适用于C3-C5类含氧碳氢化合物平台分子转化的催化体系并进行应用的方法开拓成为了推进相关化工工艺开发进程的核心支撑技术。
由于大部分纤维素转化平台分子常温常压下多以液态或固态存在，使得在液相中以固态催化剂对这些分子进行转化成为了当前主流催化工艺体系。其中固态催化剂大多以Pt，Pd，Ru等贵金属为主要活性组成，鉴于贵金属的高额成本，这类催化剂并不适合规模化实际生产需求。针对这一限制，近年来有一些研究者开始将价廉的普通过渡金属催化剂应用于相关反应体系，但是廉价金属催化剂相对贵金属稳定性和活性都不够理想，且适用平台分子种类有限，因此开发性能优异、价廉、稳定、适用性广的纤维素平台分子转化催化剂及其应用工艺仍是具有挑战性的攻关课题。
针对这一难题，本发明设计出了一种价廉、稳定且对多种代表性纤维素平台分子转化性能优异的Pr-P-Ni复合催化剂，并对其应用条件和方法进行筛定，由此获得了一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，填补纤维素转化应用领域欠缺实用化程度高、适用性广催化体系的技术空白。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，解决了现有用于纤维素平台分子转化的贵金属催化剂由于高额成本而不适合规模化实际生产需求以及廉价金属催化剂稳定性和活性不足、适用平台分子种类有限的问题。
(二)技术方案
本发明提出一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，通过共沉淀法制备得到了以PrPO4/Ni2P为结构主体，价廉、稳定性好适于规模化应用的Pr-P-Ni复合催化剂。
为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，通过共沉淀法制备Pr-P-Ni催化剂，包括如下步骤：
(1)称取以下摩尔比的镨源和镍源为原料：Pr：Ni＝1:10-3:5，所述镨源和镍源为易溶盐；
(2)将上述原料与极性溶剂配制成镨镍盐溶液，搅拌至澄清，将磷酸一氢盐溶液缓慢滴加到搅拌澄清的镨镍盐溶液中，同时搅拌混合溶液至均一状态，过滤，获得沉淀；
(3)将获得的沉淀进行离心洗涤，干燥，空气高温焙烧，氢气高温还原，最后降温至室温，即得Pr-P-Ni催化剂。
优选的，步骤(1)所述易溶盐为硫酸盐或硝酸盐。
优选的，所述硝酸盐为六水合硝酸镍或六水合硝酸镨。
优选的，步骤(2)所述极性溶剂为水、乙醇或甲醇。
优选的，步骤(2)所述磷酸一氢盐溶液为(NH4)2HPO4、K2HPO4或Na2HPO4，浓度为0.2mol/L。
优选的，步骤(2)搅拌混合溶液至均一状态的搅拌时间为6h。
优选的，步骤(3)所述离心洗涤是用去离子水和无水乙醇各洗涤所述沉淀两次。
优选的，步骤(3)所述干燥温度为60℃，时间为10h；所述空气高温焙烧温度为500-700℃，时间为3-6h；所述氢气高温还原的氢气流速为20-60mL/min，时间为3-6h。
优选的，制备的Pr-P-Ni催化剂为PrPO4/Ni2P复合结构。
优选的，制备的Pr-P-Ni催化剂应用于纤维素平台分子乙酰丙酸、糠醛和顺丁烯二酸酐的加氢转化反应，具体反应过程为：在高温高压反应釜中加入0.1-0.6mmol/mL乙酰丙酸、糠醛或顺丁烯二酸酐的水、乙醇或异丁醇溶液，投入Pr-P-Ni催化剂，温度为80-140℃，氢气压力为2.0-5.0MPa，经30-240min反应。
(三)有益效果
本发明提供了一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，具备以下有益效果：
(1)、该用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，通过共沉淀法制备得到了价廉、稳定性好、适于规模化生产的以PrPO4/Ni2P为结构主体的Pr-P-Ni复合催化剂。
(2)、该用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，制备的Pr-P-Ni复合催化剂用于乙酰丙酸(LA)，糠醛(FAL)及顺丁烯二酸酐(MA)等代表性纤维素平台分子的加氢转化反应，反应条件相对温和、催化效率高而符合生产需求，用于纤维素平台分子转化可行性高、适应性广、具有较高的经济价值。
附图说明
图1为Pr-P-Ni催化剂的X射线衍射(XRD)图谱；
图2为Pr-P-Ni(Pr:Ni＝0.3)催化剂的乙酰丙酸加氢性能测试曲线；
图3为Pr-P-Ni(Pr:Ni＝0.2)催化剂的糠醛加氢性能测试曲线；
图4为Pr-P-Ni(Pr:Ni＝0.1)催化剂的顺丁烯二酸酐加氢酯化性能测试曲线。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1：
(1)摩尔比为Pr:Ni＝3:10的Pr-P-Ni催化剂的制备：
称取镨盐1.3050g和镍盐2.9079g，加入50mL去离子水溶解，获得镍镨盐溶液，放在搅拌器上搅拌至澄清，称取磷酸一氢盐1.3206g，加入50mL去离子水溶解，将磷酸—氢盐溶液逐滴入镍镨盐溶液中，搅拌6h至混合溶液为均一状态，过滤，获得沉淀；之后用去离子水和无水乙醇各洗涤沉淀两次，放入鼓风干燥箱在60℃下干燥10h，放入坩埚中在600℃空气氛围下焙烧4h，装入石英管中在氢气流速为50mL/min下进行氢气高温还原处理4h，最后降温至室温取出，即制备得到了(PrPO4)0.6/Ni2P催化剂。
(2)对制备的(PrPO4)0.6/Ni2P催化剂进行X射线衍射(XRD)测试：
如图1所示，通过XRD表征，我们可以清晰的看到PrPO4和Ni2P的特征衍射峰，说明成功合成了(PrPO4)0.6/Ni2P催化剂；
(3)对制备的(PrPO4)0.6/Ni2P催化剂进行乙酰丙酸加氢活性测试：
在反应釜聚四氟乙烯内衬中加入100mg制备的(PrPO4)0.6/Ni2P催化剂，10mL去离子水，2mmol乙酰丙酸，将反应釜密封紧密后先置换4次空气，再充入4MPa氢气待压力维持恒定10秒钟后关闭氢气，加热至100℃后放出氢气开始反应，利用气相色谱检测反应釜内反应物浓度改变情况。
在100℃、4MPa、100mg(PrPO4)0.6/Ni2P催化条件下，反应时间为30-120min区间内乙酰丙酸加氢的催化反应曲线，如图2所示，可以看出，当反应时间为120min时，反应的转化率达到99％，产率达到97％。
实施例2：
(1)摩尔比为Pr:Ni＝2:10的Pr-P-Ni催化剂的制备：
称取镨盐0.8700g和镍盐2.9079g，加入50mL去离子水溶解，获得镍镨盐溶液，放在搅拌器上搅拌至澄清，称取磷酸一氢盐1.3206g，加入50mL去离子水溶解，将磷酸—氢盐溶液逐滴入镍镨盐溶液中，搅拌6h至混合溶液为均一状态，过滤，获得沉淀；之后用去离子水和无水乙醇各洗涤沉淀两次，放入鼓风干燥箱在60℃下干燥10h，放入坩埚中在500℃空气氛围下焙烧6h，装入石英管中在氢气流速为20mL/min下进行氢气高温还原处理6h，最后降温至室温取出，即制备得到了(PrPO4)0.4/Ni2P催化剂。
(2)对制备的(PrPO4)0.4/Ni2P催化剂进行糠醛加氢活性测试：
在反应釜聚四氟乙烯内衬中加入100mg制备的(PrPO4)0.4/Ni2P催化剂，20mL异丙醇，1mmol糠醛，将反应釜密封紧密后先置换4次空气，再充入4MPa氢气待压力维持恒定10秒钟后关闭氢气，加热至100℃后放出氢气开始反应，利用气相色谱检测反应釜内反应物浓度改变情况。
在100℃、4MPa、100mg(PrPO4)0.4/Ni2P催化条件下，反应时间为30-240min区间内糠醛加氢的催化反应曲线，如图3所示，可以看出，当反应时间为240min时，反应的转化率达到91％，产率达到90％。
实施例3：
(1)摩尔比为Pr:Ni＝1:10的Pr-P-Ni催化剂的制备：
称取镨盐0.4350g和镍盐2.9079g，加入50mL去离子水溶解，获得镍镨盐溶液，放在搅拌器上搅拌至澄清，称取磷酸一氢盐1.3206g，加入50mL去离子水溶解，将磷酸—氢盐溶液逐滴入镍镨盐溶液中，搅拌6h至混合溶液为均一状态，过滤，获得沉淀；之后用去离子水和无水乙醇各洗涤沉淀两次，放入鼓风干燥箱在60℃下干燥10h，放入坩埚中在700℃空气氛围下焙烧3h，装入石英管中在氢气流速为60mL/min下进行氢气高温还原处理3h，最后降温至室温取出，即制备得到了(PrPO4)0.2/Ni2P催化剂。
(2)对制备的(PrPO4)0.2/Ni2P催化剂进行顺丁烯二酸酐加氢酯化活性测试：
在反应釜聚四氟乙烯内衬中加入50mg制备的(PrPO4)0.2/Ni2P催化剂，10mL乙醇，5mmol顺丁烯二酸酐，将反应釜密封紧密后先置换4次空气，再充入4MPa氢气待压力维持恒定10秒钟后关闭氢气，加热至100℃后放出氢气开始反应，利用气相色谱检测反应釜内反应物浓度改变情况。
在100℃、4MPa、50mg(PrPO4)0.2/Ni2P催化条件下，反应时间为30-120min区间内顺丁烯二酸酐加氢酯化的催化反应曲线，如图4所示，可以看出，当反应时间为120min时，反应的转化率达到100％，产率达到88％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，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 (10)

1.一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，其特征在于：通过共沉淀法制备Pr-P-Ni催化剂，包括如下步骤：
(1)称取以下摩尔比的镨源和镍源为原料：Pr：Ni＝1:10-3:5，所述镨源和镍源为易溶盐；
(2)将上述原料与极性溶剂配制成镨镍盐溶液，搅拌至澄清，将磷酸一氢盐溶液缓慢滴加到搅拌澄清的镨镍盐溶液中，同时搅拌混合溶液至均一状态，过滤，获得沉淀；
(3)将获得的沉淀进行离心洗涤，干燥，空气高温焙烧，氢气高温还原，最后降温至室温，即得Pr-P-Ni催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述易溶盐为硫酸盐或硝酸盐。
3.根据权利要求2所述的一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，其特征在于：所述硝酸盐为六水合硝酸镍或六水合硝酸镨。
4.根据权利要求1所述的一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述极性溶剂为水、乙醇或甲醇。
5.根据权利要求1所述的一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述磷酸一氢盐溶液为(NH4)2HPO4、K2HPO4或Na2HPO4，浓度为0.2mol/L。
6.根据权利要求1所述的一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)搅拌混合溶液至均一状态的搅拌时间为6h。
7.根据权利要求1所述的一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述离心洗涤是用去离子水和无水乙醇各洗涤所述沉淀两次。
8.根据权利要求1所述的一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述干燥温度为60℃，时间为10h；所述空气高温焙烧温度为500-700℃，时间为3-6h；所述氢气高温还原的氢气流速为20-60mL/min，时间为3-6h。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，其特征在于：制备的Pr-P-Ni催化剂为PrPO4/Ni2P复合结构。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的一种用于纤维素平台分子转化的Pr-P-Ni催化剂的制备方法，其特征在于：制备的Pr-P-Ni催化剂应用于纤维素平台分子乙酰丙酸、糠醛和顺丁烯二酸酐的加氢转化反应。
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