CN116713017A - 一种铜基催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜基催化剂及其制备方法和应用,属于催化剂技术领域。本发明提供的铜基催化剂包括包覆层和金属基体,所述包覆层包覆在金属基体外面,所述金属基体含有CeO2和Cu,所述包覆层含有氮掺杂碳材料。本发明将氮掺杂碳材料NC作为包覆层,对含有CeO2和Cu的金属基体进行包覆,得到的铜基催化剂Cu‑CeO2@NC具有优异的稳定性,且催化性能优异,应用于醇类催化脱氢中催化效果良好,尤其是应用于甘油催化脱氢制乳酸反应中的甘油转化率和乳酸选择性高,此外,该铜基催化剂无需进行高温煅烧即可实现再生,有利于实现催化剂的循环使用,本发明提供的催化剂在醇类催化脱氢中具有广泛的应用。
Description
技术领域
本发明属于催化剂技术领域,尤其涉及一种铜基催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
乳酸为具有高附加值的有机酸,广泛应用于化妆品、医药、食品和农业等领域。乳酸还可以合成聚乳酸,聚乳酸为生物可降解塑料,用途十分广泛,具有广阔的市场前景。目前主要采用糖发酵法来制备乳酸。仍有待发展高效和绿色的化学方法来生产乳酸。
生物柴油是一种绿色能源,近年来生物柴油产业快速发展。在生物柴油制备过程中会产生甘油副产物,甘油在市场上是过量供应的。甘油经催化脱氢过程可转化为乳酸,是工业上生产乳酸的潜在路线之一。
负载型Cu基多相催化剂广泛用于氮气气氛下甘油的催化脱氢制备乳酸。常用的载体有:CNF、ZrO2、MgO、HAP、CeO2、ZIF-8和rGO,其中CeO2载体的水热稳定性较好。有文献已经报道了CeO2负载的Cu、Co3O4和AuCu纳米粒子催化甘油脱氢制备乳酸。但上述催化剂在循环使用实验中需要高温煅烧来实现催化剂的再生。因此,仍需发展高效的CeO2修饰的Cu基催化剂来催化甘油脱氢制备乳酸。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题,本发明的目的之一在于提供一种铜基催化剂,该铜基催化剂无需进行高温煅烧即可实现再生,且催化性能优异、稳定性好,在甘油催化脱氢制乳酸反应中的甘油转化率和乳酸选择性高。
本发明的目的之二在于提供一种上述铜基催化剂的制备方法。
本发明的目的之三在于提供一种上述铜基催化剂在醇类催化脱氢中的应用。
为了实现上述目的,本发明所采取的技术方案是:
本发明的第一方面提供了一种铜基催化剂,所述铜基催化剂包括包覆层和金属基体,所述包覆层包覆在金属基体外面,所述金属基体含有CeO2和Cu,所述包覆层含有氮掺杂碳材料。
优选的,所述铜基催化剂中,金属基体的粒径为80~160nm;进一步优选的,所述铜基催化剂中,金属基体的粒径为90~150nm;更进一步优选的,所述铜基催化剂中,金属基体的粒径为100~120nm。
优选的,所述铜基催化剂中,金属层中的Cu负载在CeO2上。
本发明的第二方面提供了一种本发明的第一方面所述的铜基催化剂的制备方法,包括以下步骤:将表面活性剂、碳源、氮源、铜盐和铈盐进行溶剂热反应,得到CuCe-MOF前驱体;将所述CuCe-MOF前驱体进行焙烧,得到所述铜基催化剂。
优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,表面活性剂包括聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵或其组合;进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,表面活性剂选自聚乙烯吡咯烷酮。
优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,碳源选自均苯三甲酸。
优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,氮源选自胺类溶剂;进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,胺类溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)或其组合;更进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,胺类溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺。
优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,铜盐包括硝酸铜、氯化铜或硫酸铜中的至少一种;进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,铜盐包括硝酸铜、氯化铜或其组合;更进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,铜盐选自硝酸铜。
优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,铈盐包括硝酸铈、氯化铈或硫酸铈中的至少一种;进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,铈盐包括硝酸铈、氯化铈或其组合;更进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,铈盐选自硝酸铈。
优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,表面活性剂和碳源的质量比为1:(0.8~2.2);进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,表面活性剂和碳源的质量比为1:(1~1.9);更进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,表面活性剂和碳源的质量比为1:(1.2~1.7)。
优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,表面活性剂和氮源的质量比为1:(25~90);进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,表面活性剂和氮源的质量比为1:(30~80);更进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,表面活性剂和氮源的质量比为1:(40~70)。
优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,表面活性剂和铜盐的质量比为1:(1~2.5);进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,表面活性剂和铜盐的质量比为1:(1.3~2.3);更进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,表面活性剂和铜盐的质量比为1:(1.5~2)。
优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,表面活性剂和铈盐的质量比为1:(0.8~1.7);进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,表面活性剂和铈盐的质量比为1:(0.95~1.5);更进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,表面活性剂和铈盐的质量比为1:(1~1.2)。
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优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,溶剂热反应的温度为70~150℃;进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,溶剂热反应的温度为80~130℃;更进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,溶剂热反应的温度为90~120℃。
优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,溶剂热反应的时间为10~60h;进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,溶剂热反应的时间为12~50h;更进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,溶剂热反应的时间为18~30h。
优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,焙烧气氛为惰性气体气氛;进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,惰性气体包括氮气、氩气或氦气中的至少一种;更进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,惰性气体选自氮气。
优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,焙烧温度为500~900℃;进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,焙烧温度为550~800℃;更进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,焙烧温度为600~750℃。
优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,焙烧时间为0.5~5h;进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,焙烧时间为0.8~4h;更进一步优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,焙烧时间为1~3h。
优选的,所述铜基催化剂的制备方法中,将聚乙烯吡咯烷酮、均苯三甲酸、铜盐、铈盐和胺类溶剂进行溶剂热反应前还进行了混合。
优选的,将聚乙烯吡咯烷酮、均苯三甲酸、铜盐、铈盐和胺类溶剂进行混合的混合温度为20~30℃;进一步优选的,所述混合温度为22~28℃;更进一步优选的,所述混合温度为24~26℃。
优选的,将聚乙烯吡咯烷酮、均苯三甲酸、铜盐、铈盐和胺类溶剂进行混合的混合时间为0.5~4h;进一步优选的,所述混合时间为0.8~3h;更进一步优选的,所述混合时间为1~2h。
本发明的第三方面提供了一种本发明的第一方面所述的铜基催化剂在醇类催化脱氢中的应用。
优选的,所述应用为醇类催化脱氢制乳酸;进一步优选的,所述应用为甘油催化脱氢制乳酸。
优选的,所述应用包括以下步骤:在惰性气体气氛中,将甘油水溶液、铜基催化剂和碱混合进行催化反应,得到所述乳酸。
优选的,所述应用中,惰性气体包括氮气、氩气或氦气中的至少一种;进一步优选的,所述乳酸的制备方法中,惰性气体选自氮气。
优选的,所述应用中,碱选自碱金属氢氧化物。
优选的,所述应用中,碱包括氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙中的至少一种;进一步优选的,所述应用中,碱包括氢氧化钠、氢氧化钾或其组合;更进一步优选的,所述应用中,碱选自氢氧化钠。
优选的,所述应用中,甘油水溶液的浓度为1~35wt%;进一步优选的,所述应用中,甘油水溶液的浓度为2~30wt%;更进一步优选的,所述应用中,甘油水溶液的浓度为5~20wt%。
优选的,所述应用中,甘油水溶液和铜基催化剂的质量比为1:(0.001~0.04);进一步优选的,所述应用中,甘油水溶液和铜基催化剂的质量比为1:(0.003~0.035);更进一步优选的,所述应用中,甘油水溶液和铜基催化剂的质量比为1:(0.005~0.02)。
优选的,所述应用中,甘油和碱的摩尔比为1:(1~1.6);进一步优选的,所述应用中,甘油和碱的摩尔比为1:(1.01~1.5);更进一步优选的,所述应用中,甘油和碱的摩尔比为1:(1.05~1.25)。
优选的,所述应用中,催化反应温度为150~250℃;进一步优选的,所述应用中,催化反应温度为170~230℃;更进一步优选的,所述应用中,催化反应温度为180~220℃。
优选的,所述应用中,催化反应时间为10~100min;进一步优选的,所述应用中,催化反应时间为20~90min;更进一步优选的,所述应用中,催化反应时间为30~60min。
优选的,所述应用中,催化反应压强为0.05~3MPa;进一步优选的,所述应用中,催化反应压强为0.1~2MPa;更进一步优选的,所述应用中,催化反应压强为0.5~1.5MPa。
优选的,所述应用中,甘油转化率为90~100%;进一步优选的,所述应用中,甘油转化率为92~100%;更进一步优选的,所述应用中,甘油转化率为95~100%。
优选的,所述应用中,乳酸选择性为72~87%;进一步优选的,所述应用中,乳酸选择性为75~85%;更进一步优选的,所述应用中,乳酸选择性为78~83%。
本发明的有益效果是:
本发明将氮掺杂碳材料NC作为包覆层,对含有CeO2和Cu的金属基体进行包覆,得到的铜基催化剂Cu-CeO2@NC具有优异的稳定性,且催化性能优异,应用于醇类催化脱氢中催化效果良好,尤其是应用于甘油催化脱氢制乳酸反应中的甘油转化率和乳酸选择性高,此外,该铜基催化剂无需进行高温煅烧即可实现再生,有利于实现催化剂的循环使用,本发明提供的催化剂在醇类催化脱氢中具有广泛的应用。
具体的,与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、本发明通过NC对Cu-CeO2纳米粒子的包覆来稳定Cu-CeO2纳米粒子,从而使得铜基催化剂Cu-CeO2@NC具有优异的稳定性,可以循环使用多次,且催化剂的制备方法简单,原料成本低,容易进行批量制备。
2、本发明无需对催化剂进行高温煅烧即可再生,可实现催化剂的循环使用,有效降低生产过程中的能耗。
3、本发明将铜基催化剂Cu-CeO2@NC应用于甘油催化脱氢制乳酸反应中,得到的乳酸的制备方法具有甘油转化率高、乳酸选择性高、催化剂稳定性优异和反应时间短等优点,该乳酸的制备方法具有良好的工业应用前景。
附图说明
图1为铜基催化剂Cu-CeO2@NC的TEM表征图。
图2为铜基催化剂Cu-CeO2@NC的XRD表征图。
图3为铜基催化剂Cu-CeO2@NC循环使用6次后的XRD表征图。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。同样应理解,以下实施例只用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,本领域技术人员根据本发明阐述的原理做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例,即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适范围内的选择,而并非要限定于下文示例的具体数据。以下实施例和对比例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明,均可从常规商业途径得到,或者可以通过现有已知方法得到。
催化剂制备例
铜基催化剂Cu-CeO2@NC的制备步骤如下:
1)CuCe-MOF的合成:往200mL烧杯中依次加入1.4g均苯三甲酸、1.0g聚乙烯吡咯烷酮、1.81g硝酸铜、1.09g硝酸铈和60mLDMF,然后在室温下搅拌1.5h得到混合溶液。将上述混合溶液转移至水热反应釜中,在100℃下反应24h。最后经过离心过滤、洗涤和真空干燥得到CuCe-MOF前驱体。
2)Cu-CeO2@NC催化剂的制备:将步骤1)的CuCe-MOF前驱体在N2气氛下于700℃下焙烧2h,得到铜基催化剂Cu-CeO2@NC。
图1为铜基催化剂Cu-CeO2@NC的TEM表征图,图1中的球形颗粒为Cu纳米粒子,Cu纳米粒子被包覆层NC包覆着,而CeO2纳米粒子均匀分散在NC上。图2为铜基催化剂Cu-CeO2@NC的XRD表征图,图2中,43.3°、50.5°和74.1°位置处的衍射峰归属于Cu。上述结果表明所制备的催化剂上的活性组分为Cu纳米粒子。
以下结合实施例和对比例对Cu-CeO2@NC催化甘油脱氢制备乳酸作进一步说明。甘油的转化率是由甘油的气相色谱定量结果计算得到的。乳酸的定量结果是根据产物的高效液相色谱测试结果计算得到的。
甘油的转化率计算公式如下:
甘油的转化率=(反应前甘油的质量-反应后甘油的质量)/(反应前甘油的质量)×100%。
乳酸的选择性是基于C原子守恒计算的,计算公式如下:
乳酸的选择性=(乳酸摩尔量)×(乳酸分子式中碳原子数)/[(反应掉的甘油摩尔量)×(甘油分子式中碳原子数)]×100%。
实施例1
本例Cu-CeO2@NC催化甘油脱氢制乳酸的方法包括以下步骤:
往100mL反应釜中依次加入5wt%的甘油水溶液、NaOH(甘油和NaOH的摩尔比为1:1.2)和Cu-CeO2@NC催化剂(添加量为甘油水溶液质量的2%),密封反应釜。用N2置换反应釜内空气6次,然后充入N2至反应釜内压强为1MPa,在180℃下反应60min。反应结束后,取样进行气相和液相分析,测定甘油转化率和乳酸选择性。经测试,甘油的转化率为96%,乳酸的选择性为80%。
实施例2
本例Cu-CeO2@NC催化甘油脱氢制乳酸的方法包括以下步骤:
往100mL反应釜中依次加入10wt%的甘油水溶液、NaOH(甘油和NaOH的摩尔比为1:1.15)和Cu-CeO2@NC催化剂(添加量为甘油水溶液质量的1%),密封反应釜。用N2置换反应釜内空气6次,然后充入N2至反应釜内压强为1MPa,在200℃下反应60min。反应结束后,取样进行气相和液相分析,测定甘油转化率和乳酸选择性。经测试,甘油的转化率为100%,乳酸的选择性为79%。
实施例3
本例Cu-CeO2@NC催化甘油脱氢制乳酸的方法包括以下步骤:
往100mL反应釜中依次加入8wt%的甘油水溶液、NaOH(甘油和NaOH的摩尔比为1:1.05)和Cu-CeO2@NC催化剂(添加量为甘油水溶液质量的1.2%),密封反应釜。用N2置换反应釜内空气6次,然后充入N2至反应釜内压强为1MPa,在220℃下反应30min。反应结束后,取样进行气相和液相分析,测定甘油转化率和乳酸选择性。经测试,甘油的转化率为98%,乳酸的选择性为80%。
实施例4
本例Cu-CeO2@NC催化甘油脱氢制乳酸的方法包括以下步骤:
往100mL反应釜中依次加入20wt%的甘油水溶液、NaOH(甘油和NaOH的摩尔比为1:1.2)和Cu-CeO2@NC催化剂(添加量为甘油水溶液质量的2%),密封反应釜。用N2置换反应釜内空气6次,然后充入N2至反应釜内压强为1MPa,在220℃下反应60min。反应结束后,取样进行气相和液相分析,测定甘油转化率和乳酸选择性。经测试,甘油的转化率为95%,乳酸的选择性为78%。
实施例5
本例Cu-CeO2@NC催化甘油脱氢制乳酸的方法包括以下步骤:
往100mL反应釜中依次加入5wt%的甘油水溶液、NaOH(甘油和NaOH的摩尔比为1:1.25)和Cu-CeO2@NC催化剂(添加量为甘油水溶液质量的0.5%),密封反应釜。用N2置换反应釜内空气6次,然后充入N2至反应釜内压强为1MPa,在220℃下反应60min。反应结束后,取样进行气相和液相分析,测定甘油转化率和乳酸选择性。经测试,甘油的转化率为100%,乳酸的选择性为81%。
实施例6
本例Cu-CeO2@NC催化甘油脱氢制乳酸的方法包括以下步骤:
往100mL反应釜中依次加入10wt%的甘油水溶液、NaOH(甘油和NaOH的摩尔比为1:1.1)和Cu-CeO2@NC催化剂(添加量为甘油水溶液质量的2%),密封反应釜。用N2置换反应釜内空气6次,然后充入N2至反应釜内压强为1MPa,在220℃下反应60min。反应结束后,取样进行气相和液相分析,测定甘油转化率和乳酸选择性。经测试,甘油的转化率为100%,乳酸的选择性为83%。
本例催化剂Cu-CeO2@NC的循环使用步骤如下:
反应结束后离心分离出Cu-CeO2@NC催化剂,水洗4次,直接用于下次反应,反应条件与上述反应的方法相同。将催化剂循环使用6次,表1为Cu-CeO2@NC催化剂的循环使用性能测试结果。
表1催化剂Cu-CeO2@NC的循环使用性能测试结果
循环使用次数 | 甘油转化率(%) | 乳酸选择性(%) |
1 | 100 | 83 |
2 | 100 | 82 |
3 | 100 | 81 |
4 | 100 | 80 |
5 | 100 | 79 |
6 | 100 | 78 |
对比例1
已公开文献(Ruben Palacio,Sebastian Torres,Sébastien Royer,et al.CuO/CeO2 catalysts for glycerol selective conversion to lactic acid[J].DaltonTransactions,2018,47(13):4572-4582.)报道了CuO/CeO2催化剂在甘油脱氢制备乳酸反应中的循环使用实验结果。从上述公开文献中知CuO/CeO2催化剂在循环使用过程中需使用高温煅烧来实现催化剂的再生,且CuO/CeO2催化剂只能循环使用5次。
对比例2
已公开文献(张俊杰,郑家宝,洪培萍,麦裕良,胡伟,CeO2修饰的Cu/AC催化丙三醇转化制乳酸的研究,现代化工,2020,40(9):126-130)中报道了Cu-CeO2/AC催化剂在甘油脱氢制乳酸反应中的循环使用实验结果。Cu-CeO2/AC催化剂只能循环使用三次,且甘油转化率在第三次循环实验中发生了显著下降。
实施例1~5表明了本发明的铜基催化剂Cu-CeO2@NC在催化甘油脱氢制乳酸反应中表现出了高催化性能和稳定性,催化反应中甘油转化率为95~100%,乳酸选择性为78~83%。本发明制备的铜基催化剂Cu-CeO2@NC在循环使用6次后依然具有较高的催化性能。图3为铜基催化剂Cu-CeO2@NC在循环使用6次后的XRD表征图。从图2和图3的对比可以看出,Cu-CeO2@NC中Cu纳米粒子的衍射峰在反应前后几乎相同,进一步表明催化剂具有很好的稳定性。
相比于对比例1需要高温煅烧来实现催化剂的再生,本发明使用氮掺杂碳来包覆Cu-CeO2纳米粒子,从而提高了催化剂的稳定性,无需对催化剂进行高温煅烧再生,既可实现催化剂的循环使用。
相比于对比例2的Cu-CeO2/AC催化剂,本发明使用氮掺杂碳来包覆Cu-CeO2纳米粒子,从而提高了催化剂的稳定性,催化剂Cu-CeO2@NC可循环使用6次,且甘油转化率没有发生明显降低。
本发明将铜基催化剂Cu-CeO2@NC应用于甘油催化脱氢制备乳酸反应中,得到的乳酸的制备方法具有甘油转化率高、乳酸选择性高、催化剂稳定性优异和反应时间短等优点,本发明提供的催化剂在制备乳酸中具有广泛的应用。
Claims (10)
1.一种铜基催化剂,其特征在于,所述铜基催化剂包括包覆层和金属基体,所述包覆层包覆在金属基体外面,所述金属基体含有CeO2和Cu,所述包覆层含有氮掺杂碳材料。
2.根据权利要求1所述铜基催化剂,其特征在于,所述金属基体的粒径为80~160nm。
3.权利要求1或2所述铜基催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将表面活性剂、碳源、氮源、铜盐和铈盐进行溶剂热反应,得到CuCe-MOF前驱体;将所述CuCe-MOF前驱体进行焙烧,得到所述铜基催化剂。
4.根据权利要求3所述制备方法,其特征在于,所述表面活性剂包括聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵或其组合;
和/或,所述碳源选自均苯三甲酸;
和/或,所述氮源选自胺类溶剂;
和/或,所述胺类溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或其组合;
和/或,所述铜盐包括硝酸铜、氯化铜或硫酸铜中的至少一种;
和/或,所述铈盐包括硝酸铈、氯化铈或硫酸铈中的至少一种。
5.根据权利要求3所述制备方法,其特征在于,表面活性剂和碳源的质量比为1:(0.8~2.2);
和/或,表面活性剂和氮源的质量比为1:(25~90);
和/或,表面活性剂和铜盐的质量比为1:(1~2.5);
和/或,表面活性剂和铈盐的质量比为1:(0.8~1.7)。
6.根据权利要求3所述制备方法,其特征在于,所述溶剂热反应的温度为70~150℃;
和/或,所述溶剂热反应的时间为10~60h;
和/或,所述焙烧气氛为惰性气体气氛;
和/或,所述焙烧温度为500~900℃
和/或,所述焙烧时间为0.5~5h。
7.权利要求1或2所述铜基催化剂在醇类催化脱氢中的应用。
8.根据权利要求7所述应用,其特征在于,所述应用为醇类催化脱氢制乳酸。
9.根据权利要求8所述应用,其特征在于,包括以下步骤:在惰性气体气氛中,将甘油水溶液、铜基催化剂和碱混合进行催化反应,得到所述乳酸。
10.根据权利要求9所述应用,其特征在于,所述甘油水溶液的浓度为1~35wt%;
和/或,所述甘油水溶液和铜基催化剂的质量比为1:(0.001~0.04);
和/或,所述甘油和碱的摩尔比为1:(1~1.6);
和/或,所述催化反应温度为150~250℃;
和/或,所述催化反应时间为10~100min;
和/或,所述催化反应压强为0.05~3MPa。
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