CN114618467A - 碳球及其负载的双金属催化剂制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种碳球及其负载的双金属催化剂制备方法与应用。所述碳球的制备方法,向含有酚类化合物和甲醛的溶液中加入氨水,反应,干燥,焙烧,得到所述碳球。本申请通过拓展
Description
技术领域
本申请涉及一种碳球及其负载的双金属催化剂制备方法与应用,属于催化材料领域。
背景技术
近几年来,随着科技的发展,大量的化石能源被人们所消耗甚至趋于枯竭的趋势,环境保护受到我国政府乃至全球的关注。然而,生物质由于分布广泛、储量丰富以及廉价等特点,将生物质催化转化为化工原料和液体燃料是一个重要的研究领域和研究热点。尤其是具有纳米尺度和尺寸可调的碳基双金属催化剂的精确设计和可控合成,并将其应用于羰基化合物的化学选择性加氢吸引了国内外科研人员的青睐。因为碳球具有较高的表面积与体积比,良好的结构及机械性能,极易分散于液体并且可显著降低反应分子的扩散限制。因此,碳材料(尤其是纳米碳球)可作为金属催化剂的载体并广泛应用于药物输送、储能与转化、水资源净化等方面。
然而,生物质基平台化合物多数都是含羰基的有机化合物。在2004年,美国能源部从300多种生物质的化学品中筛选了最具代表性的12种平化合物(丁二酸、2,5-呋喃二酸、3-羟基丙酸、天冬氨酸、葡萄糖二酸、谷氨酸、衣康酸、乙酰丙酸、3-羟基丁内酯、甘油、山梨醇、木糖醇)。除此之外,糠醛是一种重要的工业化学品,同时也是一种生物质基平台化合物分子,它的化学选择性加氢也具有非常重要的学术价值和工业应用前景。糠醛通过化学选择性加氢可合成康醇、四氢糠醇、呋喃、2-甲基呋喃等高附加值的产物。
因此,仍需要开发一种能将含羰基生物质基平台化合物通过化学选择性加氢将其高效的催化转化为高附加值的化工产品的高效催化剂。
发明内容
本申请提出了一种无需使用模板即可精确制备碳球并将金属Ru、Pd浸渍在碳球上的方法。该方法操作简单,反应条件温和,通过控制氨水的量即可控制球的尺寸大小并且制备的碳球形貌规则,结构稳定,大小均一。此外,本发明所得到碳基双金属催化剂在多种含羰基的生物质基平台化合物的加氢过程中得到了应用,同时这种形貌规则的碳球在药物输送、能量储存与转化、水资源净化等领域都具有潜在的学术价值和工业应用前景。
一种碳球的制备方法,向含有酚类化合物和甲醛的溶液中加入氨水,反应,干燥,焙烧,得到所述碳球。
可选地,所述含有酚类化合物和甲醛的溶液通过酚类化合物、甲醛溶液和水混合而成;
所述酚类化合物、水、甲醛溶液、氨水的用量为:
0.05-0.40g:30-70g:0.01-3.00mL:0.01~0.40mL;
所述甲醛溶液的浓度为35-40wt%;
所述氨水的浓度为20-40wt%。
可选地,所述酚类化合物选自含氮的酚类化合物;
优选地,所述酚类化合物选自3-氨基酚、邻氨基酚、对氨基酚中的至少一种。
酚类化合物的不同最终得到的碳球也不同,最终可得到为氨基酚醛树脂、间苯二酚酚醛树脂一些规则的碳球载体。
当酚类化合物选自含氮的酚类化合物时候,得到的是氮掺杂碳的碳球。
可选地,所述反应的条件为:
温度为20-60℃,时间为0.5-1.0h,搅拌速率300~700rpm。
可选地,所述焙烧的条件为:
在非活性气氛下,升温速率1-5℃/min到温度400-1000℃,碳化处理2-6h。
可选地,所述非活性气氛选自氮气、氩气中的至少一种。
具体地,碳球的制备方法包括:
(一)碳球的制备.
(1)将0.05-0.40g酚类化合物分散到去离子水中(30-70g),在特定温度(20-60℃)、转速(200-800rpm)的水中加热并搅拌至完全溶解;
(2)将甲醛溶液(0.01-3.00mL)逐滴加入到上述(1)中;
(3)向(2)中迅速加入一定量20-40wt%的氨水,在特定温度(20-60℃)、一定时间(0.5-1.0h)内的水中加热并搅拌;
(4)洗涤、离心、收集样品:在特定的离心转速(5000-12000rpm)和离心时间(2.0-10.0min)用去离子水洗涤样品数次;
(5)样品干燥:将收集到的样品置于特定温度(40-120℃)的烘箱中干燥过夜。材料记为:A;
(二)碳球A的碳化处理.
将碳球A在惰性气氛条件下以特定的升温速率(1-5℃/min)和特定温度下(400-1000℃)碳化处理,材料记为:CS。
可选地,步骤(4)中,最佳离心速率为5000-12000rpm、最佳离心时间为4-10min。
可选地,干燥的温度为60-100℃。
根据本申请的第二方面,提供一种碳球。该碳球形貌规则、大小均一、结构稳定、具有较高的表面积与体积比以及良好的机械性能。
上述所述的方法制备得到的碳球,所述碳球为实心碳球,直径为200-400nm,为形貌规则的球形。
根据本申请的第三方面,提供一种双金属催化剂。催化剂形貌规则、大小均一、结构稳定、具有较高的表面积与体积比以及良好的机械性能等。
一种双金属催化剂,所述双金属催化剂包括活性组分和载体;
所述活性组分负载在载体上;
所述活性组分包括Ru和Pd;
所述载体为碳球;
所述碳球选自上述所述的方法制备得到的碳球中的至少一种。
可选地,所述双金属催化剂中,Ru含量0.01-3.0wt%,Pd含量0.01-3.0wt%;以载体的质量为计算基准。
可选地,所述双金属催化剂的直径为200-400nm。
载体为氮掺杂碳的碳球时候,得到的是氮掺杂碳基双金属催化剂。
根据本申请的第三方面,提供一种双金属催化剂的制备方法。
上述所述的双金属催化剂的制备方法,将碳球浸渍在含有活性组分元素的溶液中,干燥,还原,得到所述双金属催化剂。
可选地,所述含有活性组分元素的溶液中,活性组分的前驱体为Ru和Pd对应的可溶性盐。
可选地,所述Ru对应的可溶性盐选自RuCl3、KRuO4、C6H9O6Ru(醋酸钌)中的至少一种。
可选地,所述Pd对应的可溶性盐选自PdCl2、Pd(NO3)2、PdSO4中的至少一种。
可选地,所述浸渍采用等体积浸渍法。
可选地,所述碳球和溶液的固液比为0.1~1.0,为质量比。
可选地,所述还原的条件为:
还原性气氛下,升温速率1-5℃/min到温度300-800℃,还原时间2-8h。
可选地,所述还原性气氛包括氢气。
可选地,所述还原性气氛包括氢气和氩气。
具体地,所述的双金属催化剂的制备方法,包括:
(1)将0.05-2.0g碳化的碳球置于10.0mL烧杯中,测定其吸水量;
(2)量取一定含量的PdCl2和RuCl3溶液置于2.0mL的样品管中混合摇匀,逐滴加入(1);贴上封口膜静置6-24h;
(3)将烧杯置于特定温度(50-120℃)的烘箱中将其烘干;
(4)催化剂还原:将(3)置于特定的还原温度(300-800℃)和升温速率(1-5℃/min)的还原性气氛的管式炉中还原,催化剂记为:Ru-Pd@CS。
根据本申请的第三方面,提供一种双金属催化剂的应用。
上述所述的双金属催化剂在催化生物质化学选择性加氢方面中的应用。
上述所述的双金属催化剂在催化糠醇加氢制备四氢糠醇、催化苯甲酸加氢制备环己烷甲酸、催化乙酰丙酸加氢制备γ-戊内酯中的应用。
上述所述的双金属催化剂在糠醛、糠醇、苯甲酸、乙酰丙酸等生物质化学选择性加氢方面具有非常好的应用前景。
本申请能产生的有益效果包括:
1)本申请所提供的碳球的制备方法,无需使用模板操作简单,反应条件温和,通过控制氨水的量即可控制球的尺寸大小并且制备的碳球形貌规则,结构稳定,大小均一,可作为贵金属催化剂(金、钌、铑、钯、锇、铱、铂等)的良好载体。
2)本申请所提供的双金属催化剂,具有纳米尺度和尺寸可调的碳基双金属催化剂,该催化剂形貌规则、大小均一、结构稳定、具有较高的表面积与体积比以及良好的机械性能等。此外,碳基双金属催化剂的制备方法简单,操作容易,并且碳球载体有助于催化剂活性位点更多的暴露。在含羰基生物质基平台化合物选择性加氢方面展出了高活性、稳定性可重复使用。将其用于含羰基生物质基平台化合物的化学选择性加氢,将其高效的催化转化为高附加值的化工产品及化工颜料,具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本申请实施例制备得到的双金属催化剂的TEM和SEM图;其中图1(A)为Ru@CS催化剂的TEM图(400nm);图1(B)为Pd@CS催化剂的TEM图(400nm);图1(C)为Ru-Pd@CS催化剂的TEM图(400nm);图1(D)为Ru-Pd@CS催化剂的SEM图(400nm)。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请,但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明,本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。如无特别说明,测试方法均采用常规方法,仪器设置均采用均厂家推荐的设置。
本申请的实施例中分析方法如下:
样品的形貌特征通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)测试分析;扫描电子显微镜的分析仪器为FEI Quanta 200F,测试条件为加速电压为20kV,放大倍率25x~200,000x,分辨率为2nm,真空度5×10-3Pa,工作距离为10mm,束斑直径为3.0nm;透射电子显微镜的分析仪器为HITACHI HT7700,测试条件为加速电压为20KV,真空度为5×10-3Pa,分辨率2nm。
本申请的实施例中转化率、选择性都基于碳摩尔数计算,计算如下:
原料转化率=(产物的总摩尔数/引入底物的总摩尔数)×100%
产物选择性=(目标产物的摩尔数/总产物的摩尔数)×100%
实施例中,原料与催化剂的摩尔比(S/C),均以催化剂所含有的金属的摩尔数计算。
实施例1:碳球的合成
(1)将2.0g 3-氨基酚分散到150mL去离子水中,在30℃下搅拌20min至完全溶解;
(2)将2.0mL甲醛溶液(35-40wt%)逐滴加入到上述(1)中;
(3)向(2)中迅速加入0.2mL氨水(28wt%),在30℃搅拌0.5h;
(4)离心、洗涤、收集样品:离心转速为10000rpm,离心时间5.0min,用去离子水洗涤样品3次;
(5)样品干燥:将收集到的样品置于60℃的烘箱中干燥24h。材料记为:APF球;
(6)将APF球在惰性气氛(N2)条件下以3℃/min的升温速率升温到700℃碳化3h,材料记为:CS;
实施例2:Ru@CS催化剂的合成
(1)将0.5g碳化的碳球CS置于10.0mL烧杯中,测定其吸水量并在100℃的烘箱中烘干;
(2)量取433.12μL的RuCl3溶液(31.4mg/mL)于181.58μL的水中将其混合并逐滴加入(1)烘干的碳球中,并将其搅拌均匀;贴上封口膜静置24h;
(3)将烧杯置于100℃的烘箱中将其烘干;
(4)催化剂还原:将(3)中烘干的物质置于温度为400℃、升温速率2℃/min的5%H2/Ar气氛的管式炉中还原,催化剂记为:Ru@CS;制备的Ru@CS的TEM图见图1(A)。从TEM图中可清楚的看到金属Ru被均一的分散到碳化的碳球上,并且碳球大小均一、形貌规则,直径为400nm。
实施例3:Pd@CS催化剂的合成
(1)将0.50g碳化的碳球CS置于10.0mL烧杯中,测定其吸水量并在100℃的烘箱中烘干;
(2)量取245.29μL的PdCl2溶液(35.7mg/mL)于368.71μL的水中将其混合并逐滴加入(1)烘干的碳球中,并将其搅拌均匀;贴上封口膜静置24h;
(3)将烧杯置于100℃的烘箱中将其烘干;
(4)催化剂还原:置于温度为400℃、升温速率2℃/min的5%H2/Ar气氛的管式炉中还原,催化剂记为:Pd@CS;制备的Pd@CS的TEM图见图1(B)。从TEM图中可清楚的看到金属Pd被一的分散到碳化的碳球上,并且碳球大小均一、形貌规则,直径为400nm。
实施例4:Ru-Pd@CS催化剂的合成
(1)将0.50g碳化的碳球置于10.0mL烧杯中,测定其吸水量并在100℃的烘箱中烘干;
(2)量取433.12μL的RuCl3溶液(31.4mg/mL)和245.29μL的PdCl2溶液混合均匀并逐滴加入(1)烘干的碳球中,并将其搅拌均匀;贴上封口膜静置24h;
(3)将烧杯置于100℃的烘箱中将其烘干;
(4)催化剂还原:置于温度为400℃、升温速率2℃/min的5%H2/Ar气氛的管式炉中还原,催化剂记为:Ru-Pd@CS;制备的Ru-Pd@CS的TEM图见图1(C)。从TEM图中可清楚的看到金属Ru、Pd被均一的分散到碳化的碳球上,并且碳球大小均一、形貌规则,直径为400nm。
实施例5:Ru@CS和Pd@CS催化剂催化糠醛化学选择性加氢反应
按照实施例2合成了Ru@CS催化剂和按照实施例3合成了Pd@CS催化剂测试其催化剂催化糠醛选择性加氢活性。
具体操作如下:将3.0mg的催化剂、1.0mL水及糠醛加入装有磁子的玻璃小瓶中,之后将其置于装有20.0mL加氢反应釜中并用2.0PMa的H2置换反应釜里的气体三次,最后将反应釜置于水浴锅中,带温度上升到设定温度,往釜中充入氢气,调节转速(1000rpm),同时记下反应时间。
反应条件:温度为52℃,压力为4.0MPa,时间为4.0h,溶剂为H2O(1mL),糠醛与催化剂的摩尔比(S/C)。具体反应加氢结果如下:
名称 | 转化率(%) | 糠醇的选择性(%) | 四氢糠醇的选择性(%) | S/C |
Ru@CS | 2.30 | 92.50 | 4.85 | 525 |
Pd@CS | 12.13 | 98.26 | 0.42 | 524 |
实施例6:Ru-Pd@CS催化剂催化糠醛化学选择性加氢反应
按照实施例4合成Ru-Pd@CS催化剂测试其催化剂催化糠醛化学选择性加氢活性。
具体操作如下:将3mg的催化剂、1.0mL水及糠醛加入装有磁子的玻璃小瓶中,之后将其置于装有20.0mL加氢反应釜中并用2.0PMa的H2置换反应釜里的气体三次,最后将反应釜置于水浴锅中,带温度上升到设定温度,往釜中充入氢气,调节转速(1000rpm),同时记下反应时间。
反应条件如下:温度为52℃,压力为4.0MPa,时间为4.0h,溶剂为H2O(1mL),糠醛与催化剂的摩尔比(S/C)。具体反应加氢结果如下:
由上可知,单组分负载时候,糠醛的转化率极低,四氢糠醇的选择性也很低,当双金属组分同时存在的时候,糠醛的转化率和四氢糠醇的选择性有了质的飞跃。
实施例7:Ru@CS和Pd@CS催化剂催化糠醇化学选择性加氢反应
按照实施例2合成了Ru@CS催化剂或按照实施例3合成了Pd@CS催化剂测试其催化剂催化糠醇选择性加氢活性。
具体操作如下:将3mg的催化剂、1.0mL水及糠醇加入装有磁子的玻璃小瓶中,之后将其置于装有20.0mL加氢反应釜中并用2.0PMa的H2置换反应釜里的气体三次,最后将反应釜置于水浴锅中,带温度上升到设定温度,往釜中充入氢气,调节转速(1000rpm),同时记下反应时间。
反应条件:温度为71℃,压力为4.0MPa,时间为4.0h,溶剂为H2O(1mL),糠醇与催化剂的摩尔比(S/C)。具体反应加氢结果如下:
实施例8:Ru-Pd@CS催化剂催化糠醇化学选择性加氢反应
按照实施例4合成Ru-Pd@CS催化剂测试其催化剂催化糠醇化学选择性加氢活性。
具体操作如下:将3mg的催化剂、1.0mL水及糠醇加入装有磁子的玻璃小瓶中,之后将其置于装有20.0mL加氢反应釜中并用2.0PMa的H2置换反应釜里的气体三次,最后将反应釜置于水浴锅中,带温度上升到设定温度,往釜中充入氢气,调节转速(1000rpm),同时记下反应时间。
反应条件:温度为71℃,压力为4.0MPa,时间为4.0h,溶剂为H2O(1mL),糠醇与催化剂的摩尔比(S/C)。具体反应加氢结果如下:
实施例9:Ru-Pd@CS催化剂催化苯甲酸化学选择性加氢反应
按照实施例4合成Ru-Pd@CS催化剂测试其催化剂催化苯甲酸(BA)化学选择性加氢活性。
具体操作如下:将3mg的催化剂、1.0mL醇水混合液(VEtOH:VH2O=1)及苯甲酸加入装有磁子的玻璃小瓶中,之后将其置于装有20.0mL加氢反应釜中并用2.0PMa的H2置换反应釜里的气体三次,最后将反应釜置于油浴锅中,待温度上升到设定温度,往釜中充入氢气,调节转速(1000rpm),同时记下反应时间。
反应条件如下:反应压力为4.0MPa,溶剂为醇水混合液1mL(VEtOH:VH2O=1),苯甲酸与催化剂的摩尔比(S/C)。具体反应加氢结果如下:
实施例10:Ru-Pd@CS催化剂催化乙酰丙酸化学选择性加氢反应
按照实施例4合成Ru-Pd@CS催化剂测试其催化剂催化乙酰丙酸(LA)化学选择性加氢活性。
具体操作如下:将3mg的催化剂、1.0mL水及乙酰丙酸加入装有磁子的玻璃小瓶中,之后将其置于装有20.0mL加氢反应釜中并用2.0PMa的H2置换反应釜里的气体三次,最后将反应釜置于水浴锅中,带温度上升到设定温度,往釜中充入氢气,调节转速(1000rpm),同时记下反应时间。
反应条件如下:反应温度为71℃,反应压力为4.0MPa,反应时间为1.0h,溶剂为H2O(1mL),乙酰丙酸与催化剂的摩尔比(S/C)。具体反应加氢结果如下:
从TEM和SEM可以看出,本发明通过拓展方法精确制备具有纳米尺度和可调大小的碳基双金属催化剂,该催化剂形貌规则、大小均一、结构稳定、具有较高的表面积与体积比以及良好的机械性能等。并将Ru、Pd碳基双金属催化剂用于含羰基生物质基平台化合物的化学选择性加氢,将其高效的催化转化为高附加值的化工产品及化工颜料。
以上所述,仅是本申请的几个实施例,并非对本申请做任何形式的限制,虽然本申请以较佳实施例揭示如上,然而并非用以限制本申请,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本申请技术方案的范围内,利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例,均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种碳球的制备方法,其特征在于,向含有酚类化合物和甲醛的溶液中加入氨水,反应,干燥,焙烧,得到所述碳球。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述含有酚类化合物和甲醛的溶液通过酚类化合物、甲醛溶液和水混合而成;
所述酚类化合物、水、甲醛溶液、氨水的用量为:
0.05-0.40g:30-70g:0.01-3.00mL:0.01~0.40mL;
所述甲醛溶液的浓度为35-40wt%;
所述氨水的浓度为20-40wt%。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述酚类化合物选自含氮的酚类化合物;
优选地,所述酚类化合物选自3-氨基酚、邻氨基酚、对氨基酚中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述反应的条件为:
温度为20-60℃,时间为0.5-1.0h,搅拌速率300~700rpm。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述焙烧的条件为:
在非活性气氛下,升温速率1-5℃/min到温度400-1000℃,碳化处理2-6h。
6.权利要求1-5任一项所述的方法制备得到的碳球,其特征在于,所述碳球为实心碳球,直径为200-400nm,为形貌规则的球形。
7.一种双金属催化剂,其特征在于,所述双金属催化剂包括活性组分和载体;
所述活性组分负载在载体上;
所述活性组分包括Ru和Pd;
所述载体为碳球;
所述碳球选自权利要求1-5任一项所述的方法制备得到的碳球中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的双金属催化剂,其特征在于,所述双金属催化剂中,Ru含量0.01-3.0wt%,Pd含量0.01-3.0wt%;以载体的质量为计算基准。
9.权利要求7-8任一项所述的双金属催化剂的制备方法,其特征在于,将碳球浸渍在含有活性组分元素的溶液中,干燥,还原,得到所述双金属催化剂;
所述含有活性组分元素的溶液中,活性组分的前驱体为Ru和Pd对应的可溶性盐。
10.权利要求7-8任一项所述的双金属催化剂在催化生物质化学选择性加氢方面中的应用。
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2020
- 2020-12-11 CN CN202011459327.7A patent/CN114618467A/zh active Pending
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