CN117258825A - 一种纳米钴催化剂、制备方法及其在烯烃氢酯基化反应中的应用 - Google Patents

一种纳米钴催化剂、制备方法及其在烯烃氢酯基化反应中的应用 Download PDF

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CN117258825A CN202311324468.1A CN202311324468A CN117258825A CN 117258825 A CN117258825 A CN 117258825A CN 202311324468 A CN202311324468 A CN 202311324468A CN 117258825 A CN117258825 A CN 117258825A
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方伟国
陈静
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Abstract

本发明提供了一种纳米钴催化剂、制备方法及其在烯烃氢酯基化反应中的应用,属于催化剂技术领域。本发明的纳米钴催化剂包括活性金属钴和氮掺杂纳米碳材料,通过配位作用形成钴‑氮活性位点;所述活性金属钴均匀分散于氮掺杂纳米碳材料表面。本发明是以三聚氰胺和三聚氰酸同时作为碳源和氮源,通过调变加入醛/醇的种类、数量和聚合条件,从而制得本发明纳米钴催化剂。本发明使得制备的纳米钴催化剂结构可控,显著提高了催化活性以及催化稳定性。本发明的催化剂用于烯烃氢酯基化反应中,催化性能优异,易分离和循环套用。

Description

一种纳米钴催化剂、制备方法及其在烯烃氢酯基化反应中的 应用
技术领域
本发明涉及催化剂技术领域,尤其涉及一种纳米钴催化剂、制备方法及其在烯烃氢酯基化反应中的应用。
背景技术
脂肪和芳香羧酸酯,包括异壬酸酯、庚酸酯、苯丙酸酯等,在化妆品、医药、增塑剂等领域具有广泛的用途。如:异壬酸酯的水解产物异壬酸和加氢产物异壬醇,可用作合成高档润滑油脂、医药中间体和金属加工液的原料,也可用于改性醇酸树脂,显著提高树脂材料的耐氧化性和抗冲击性能。
烯烃氢酯基化反应是生产羧酸酯的重要方法之一,目前已有多类均相催化反应体系被开发应用。文献[精细化工,2001,18,109]报道,以Co2(CO)8 -吡啶为催化剂时,二异丁烯在优化条件下可以高效羰化反应一步合成异壬酸酯。
专利CN 201810616930.8公开了一种以Co和/或Rh为活性金属与含氮杂环配体组成的催化体系,适用于二异丁烯为原料进行氢甲酯化反应制备得到异壬酸酯,表现出非常优异的催化性能。虽然均相催化体系的反应活性高、性能好,但是由于该类催化体系在反应过程中存在稳定性差、无法重复使用以及产物分离难等问题,导致均相催化过程工业应用中受限。
近些年,二异丁烯氢甲酰化和氢酯基化多相催化剂的研究被广泛关注。
例如专利CN 201911220649.3公开了一种可用于二异丁烯氢甲酰化生成异壬醛和异壬醇的方法,反应产物经氧化酯化可以制备异壬酸酯,该过程采用聚合物催化剂,活性组分Rh和Co通过配位形式分散于固体有机配体聚合物中,由于金属离子和配体聚合物间相互作用弱造成催化剂的稳定性差。CN202210919867.1公开了一种乙烯基吡啶或咪唑聚合物分散的钴基催化剂,但是在二异丁烯氢酯基化反应中,催化剂同样存在稳定性差、难以套用等问题。
因此,开发更加高效、稳定的固体催化体系将有助于促进烯烃氢酯基化过程走向工业应用。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是提供一种高效稳定的纳米钴催化剂及其制备方法,该催化剂在烯烃氢酯基化反应中表现出优异的催化性能。
为了达到上述目的,本发明的技术方案如下:
一种纳米钴催化剂,包括活性金属钴和氮掺杂纳米碳材料,通过配位作用形成钴-氮活性位点;所述活性金属钴均匀分散于氮掺杂纳米碳材料表面;
所述活性金属钴的含量为5~20wt%,余量为氮掺杂纳米碳材料。
本发明的另一目的是提供一种纳米钴催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将钴盐、三聚氰胺、三聚氰酸在水中混合,形成分散均匀的溶液;
(2)在剧烈搅拌下,向步骤(1)所述溶液中滴加醛-醇混合溶液;
(3)滴加完成后,升温至40~100℃并保温10~40小时,然后蒸干溶剂,得到固体;
(4)将步骤(3)所得固体在110℃下烘干12小时后,在保护气流中于500~1000℃焙烧2~10小时,即得所述纳米钴催化剂。
优选的,步骤(1)所述钴盐为硝酸钴、醋酸钴、八羰基二钴、氯化钴和硫酸钴中的至少一种。
优选的,步骤(1)所述钴盐、三聚氰胺、三聚氰酸的摩尔比为1~5:10:10。
优选的,步骤(2)所述醛-醇混合溶液中的醛为甲醛、乙醛、苯甲醛中至少一种;所述的醇为甲醇、苯甲醇、乙二醇、甘油、季戊四醇、木糖醇、山梨醇中至少一种。
优选的,步骤(2)所述醛和醇的摩尔比为0.5~5:0.1~2。
优选的,步骤(4)所述保护气选自氮气、氩气、氢气、二氧化碳中至少一种。
本发明还提供了所述纳米钴催化剂的应用,具体是将所述纳米钴催化剂用于烯烃、一氧化碳和一元醇氢酯基化反应生成羧酸酯,反应过程中,一氧化碳的充入量为6MPa,迅速升温至150℃,反应20小时。
优选的,所述烯烃包括二异丁烯、正己烯、苯乙烯、环己烯中至少一种;所述一元醇包括甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇中至少一种。
优选的,所述烯烃与一元醇的摩尔比为1:20;所述催化剂与烯烃的比例为10~12g:1mol。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明纳米钴催化剂是以三聚氰胺和三聚氰酸同时作为碳源和氮源,通过调变加入醛/醇的种类、数量和聚合条件,实现聚合过程、聚合物组成结构,以及所得催化剂性能的有效控制,从而合成了高效稳定的催化剂。
(2)本发明纳米钴催化剂以工业化的大宗化学品为原料,制备工艺简单,成本低,易实现放大生产。
(3)本发明纳米钴催化剂在烯烃氢酯基化反应中,催化性能优异,易实现分离和循环套用,反应工艺简单易行,适合工业应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明.
实施例1
一种纳米钴催化剂的制备方法,步骤如下:
(1)将10g Co(NO3)2·6H2O、20g三聚氰胺和20.5g三聚氰酸加入350mL去离子水中,形成分散均匀的溶液;
(2)将25.7g浓度为37wt%的甲醛溶液和5.1g甲醇混合得到醛-醇混合溶液,向醛-醇混合溶液中加入去离子水定容至100mL,在剧烈搅拌下,以2mL/min的速度,将其滴加入步骤(1)所得溶液中;
(3)滴加完成后,升温至80℃并保持24小时,然后蒸干溶剂,得到固体;
(4)将步骤(3)所得固体在110℃下烘干12小时后,在40mL/min氮气气流中于800℃焙烧4小时,即得钴含量为10wt%的纳米钴催化剂A。
将纳米钴催化剂A用于烯烃氢酯基化反应,步骤如下:
将10g二异丁烯、57.1g甲醇和0.9g催化剂A投入至200mL不锈钢间歇釜式反应器中,封口后先用2MPa氮气置换3次后,充入6MPa一氧化碳,迅速升温至150℃,保持20小时,反应结束后冰浴降温,取少量液体定量分析。采用气相色谱法进行定性定量分析,使用配有FID检测器和HP-5毛细管色谱柱Aglient 7890A气相色谱仪测试样品,进样器温度为260℃,检测器温度为280℃,转化率和选择性采用内标法进行计算。
实施例2
一种纳米钴催化剂的制备方法,步骤如下:
(1)将4.3g Co(OAc)2·4H2O、20g三聚氰胺和20.5g三聚氰酸加入175mL去离子水中,形成分散均匀的溶液;
(2)将25.7g浓度为37wt%的甲醛溶液和5.1g甲醇混合得到醛-醇混合溶液,向醛-醇混合溶液中加入去离子水定容至100mL,在剧烈搅拌下,以2mL/min的速度,将其滴加入步骤(1)所得溶液中;
(3)滴加完成后,升温至80℃并保持24小时,然后蒸干溶剂;
(4)将步骤(3)所得固体在110℃下烘干12小时后,在40mL/min氮气气流中于800℃焙烧4小时,即得钴含量为5wt%的纳米钴催化剂B。
所述催化剂B的应用方法及产物分析同实施例1。
实施例3
一种纳米钴催化剂的制备方法,步骤如下:
(1)将11.7g Co2(CO)8、20g三聚氰胺和20.5g三聚氰酸加入175mL去离子水中,形成分散均匀的溶液;
(2)将25.7g浓度为37wt%的甲醛溶液和5.1g甲醇混合得到醛-醇混合溶液,向醛-醇混合溶液中加入去离子水定容至100mL,在剧烈搅拌下,以2mL/min的速度,将其滴加入步骤(1)所得溶液中;
(3)滴加完成后,升温至80℃并保持24小时,然后蒸干溶剂;
(4)将步骤(3)所得固体在110℃下烘干12小时后,在40mL/min氮气气流中于800℃焙烧4小时,即得钴含量约为20wt%的纳米钴催化剂C。
所述催化剂C的应用方法及产物分析同实施例1。
实施例4
一种纳米钴催化剂的制备方法,步骤如下:
(1)将8.2g CoCl2·6H2O、20g三聚氰胺和20.5g三聚氰酸加入175mL去离子水中,形成分散均匀的溶液;
(2)将6.5g浓度为37wt%的甲醛溶液和0.5g甲醇混合得到醛-醇混合溶液,向醛-醇混合溶液中加入去离子水定容至100mL,在剧烈搅拌下,以2mL/min的速度,将其滴加入步骤(1)所得溶液中;
(3)滴加完成后,升温至80℃并保持24小时,然后蒸干溶剂;
(4)将步骤(3)所得固体在110℃下烘干12小时后,在40mL/min氮气气流中于800℃焙烧4小时,即得钴含量约为10wt%的纳米钴催化剂D。
所述催化剂D的应用方法及产物分析同实施例1。
实施例5
一种纳米钴催化剂的制备方法,步骤如下:
(1)将9.7g CoSO4·7H2O、20g三聚氰胺和20.5g三聚氰酸加入175mL去离子水中,形成分散均匀的溶液;
(2)将64.3g浓度为37wt%的甲醛溶液和10.2g甲醇混合得到醛-醇混合溶液,向醛-醇混合溶液中加入去离子水定容至100mL,在剧烈搅拌下,以2mL/min的速度,将其滴加入步骤(1)所得溶液中;
(3)滴加完成后,升温至80℃并保持24小时,然后蒸干溶剂;
(4)将步骤(3)所得固体在110℃下烘干12小时后,在40mL/min氮气气流中于800℃焙烧4小时,即得钴含量约为10wt%的纳米钴催化剂E。
所述催化剂E的应用方法及产物分析同实施例1。
实施例6
一种纳米钴催化剂的制备方法,步骤如下:
(1)将10g Co(NO3)2·6H2O、20g三聚氰胺和20.5g三聚氰酸加入350mL去离子水中,形成分散均匀的溶液;
(2)将34.9g浓度为40wt%的乙醛溶液和17.1g苯甲醇混合得到醛-醇混合溶液,向醛-醇混合溶液中加入去离子水定容至100mL,在剧烈搅拌下,以2mL/min的速度,将其滴加入步骤(1)所得溶液中;
(3)滴加完成后,升温至40℃并保持40小时,然后蒸干溶剂;
(4)将步骤(3)所得固体在110℃下烘干12小时后,在40mL/min氮气气流中于800℃焙烧4小时,即得钴含量约为10wt%的纳米钴催化剂F。
所述催化剂F的应用方法及产物分析同实施例1。
实施例7
一种纳米钴催化剂的制备方法,步骤如下:
(1)将10g Co(NO3)2·6H2O、20g三聚氰胺和20.5g三聚氰酸加入350mL去离子水中,形成分散均匀的溶液;
(2)将33.6g苯甲醛和9.8g乙二醇混合得到醛-醇混合溶液,向醛-醇混合溶液中加入去离子水定容至100mL,在剧烈搅拌下,以2mL/min的速度,将其滴加入步骤(1)所得溶液中;
(3)滴加完成后,升温至100℃并保持10小时,然后蒸干溶剂;
(4)将步骤(3)所得固体在110℃下烘干12小时后,在40mL/min氮气气流中于800℃焙烧4小时,即得钴含量约为10wt%的纳米钴催化剂G。
所述催化剂G的应用方法及产物分析同实施例1。
实施例8
一种纳米钴催化剂的制备方法,步骤如下:
(1)将10g Co(NO3)2·6H2O、20g三聚氰胺和20.5g三聚氰酸加入350mL去离子水中,形成分散均匀的溶液;
(2)将25.7g浓度为37wt%的甲醛溶液和14.6g甘油混合得到醛-醇混合溶液,向醛-醇混合溶液中加入去离子水定容至100mL,在剧烈搅拌下,以2mL/min的速度,将其滴加入步骤(1)所得溶液中;
(3)滴加完成后,升温至80℃并保持24小时,然后蒸干溶剂;
(4)将步骤(3)所得固体在110℃下烘干12小时后,在40mL/min氩气气流中于1000℃焙烧2小时,即得钴含量约为10wt%的纳米钴催化剂H。
所述催化剂H的应用方法及产物分析同实施例1。
实施例9
一种纳米钴催化剂的制备方法,步骤如下:
(1)将10g Co(NO3)2·6H2O、20g三聚氰胺和20.5g三聚氰酸加入350mL去离子水中,形成分散均匀的溶液;
(2)将25.7g浓度为37wt%的甲醛溶液和21.6g季戊四醇混合得到醛-醇混合溶液,向醛-醇混合溶液中加入去离子水定容至100mL,在剧烈搅拌下,以2mL/min的速度,将其滴加入步骤(1)所得溶液中;
(3)滴加完成后,升温至80℃并保持24小时,然后蒸干溶剂;
(4)将步骤(3)所得固体在110℃下烘干12小时后,在40mL/min氢气气流中于500℃焙烧10小时,即得钴含量约为10wt%的纳米钴催化剂J。
所述催化剂J的应用方法及产物分析同实施例1。
实施例10
一种纳米钴催化剂的制备方法,步骤如下:
(1)将10g Co(NO3)2·6H2O、20g三聚氰胺和20.5g三聚氰酸加入350mL去离子水中,形成分散均匀的溶液;
(2)将25.7g浓度为37wt%的甲醛溶液与24.1g木糖醇混合得到醛-醇混合溶液,向醛-醇混合溶液中加入去离子水定容至100mL,在剧烈搅拌下,以2mL/min的速度,将其滴加入步骤(1)所得溶液中;
(3)滴加完成后,升温至80℃并保持24小时,然后蒸干溶剂;
(4)将步骤(3)所得固体在110℃下烘干12小时后,在40mL/min二氧化碳气流中于800℃焙烧4小时,即得钴含量约为10wt%的纳米钴催化剂K。
所述催化剂K的应用方法及产物分析同实施例1。
实施例11
一种纳米钴催化剂的制备方法,步骤如实施例1。
在催化剂评价过程中,以7.5g正己烯和82.1g乙醇分别代替二异丁烯和甲醇,其他过程和产物分析同实施例1。
实施例12
一种纳米钴催化剂的制备方法,步骤如实施例1。
在催化剂评价过程中,以9.3g苯乙烯和107.1g异丙醇分别代替二异丁烯和甲醇,其他过程和产物分析同实施例1。
实施例13
一种纳米钴催化剂的制备方法,步骤如实施例1。
在催化剂评价过程中,以7.3g环己烯和131.7g叔丁醇分别代替二异丁烯和甲醇,其他过程和产物分析同实施例1。
对比例1
以0.9g Co2(CO)8和0.9g吡啶代替纳米钴催化剂作为对比例1。
其他过程和产物分析同实施例1。
实施例1~13及对比例1产物分析结果如表1:
表1
催化剂 烯烃转化率(%) 羧酸酯选择性(%)
实施例1 A 95.2 86.8
实施例2 B 70.8 82.5
实施例3 C >99 74.1
实施例4 D 60.6 76.5
实施例5 E 68.4 70.1
实施例6 F 83.5 66.7
实施例7 G 84.0 78.4
实施例8 H 80.2 81.5
实施例9 I 77.8 84.0
实施例10 J 70.4 63.8
实施例11 A 95.6 89.4
实施例12 A 80.1 86.6
实施例13 A 68.7 74.1
对比例1 Co2(CO)8+吡啶 88.4 82.1
催化剂A的循环使用性能测试:
将反应后的催化剂A过滤并用甲醇洗涤,于50℃真空干燥箱中干燥10h后,其他操作和产物分析与实施例1一致,测试结果如表2:
表2
循环次数 二异丁烯转化率/% 异壬酸甲酯选择性/%
0 95.2 86.8
1 95.3 86.3
2 94.8 85.6
3 94.9 85.5
4 95.2 86.3
5 95.3 85.8
由表1和表2可知,采用本发明所制备的纳米钴催化剂,可以实现烯烃氢酯基化反应高效制备羧酸酯,催化剂的反应活性和目标产物选择性优异,稳定性好,催化剂易实现分离套用,适用于大规模工业化生产,具有较高的经济价值,工业应用前景广阔;催化剂A经5次循环后依然能保持较高的催化活性和产物选择性,表明催化剂A具有较好的重复使用性能。
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)

1.一种纳米钴催化剂,其特征在于,包括活性金属钴和氮掺杂纳米碳材料,通过配位作用形成钴-氮活性位点;所述活性金属钴均匀分散于氮掺杂纳米碳材料表面;
所述活性金属钴的含量为5~20wt%,余量为氮掺杂纳米碳材料。
2.根据权利要求1所述的纳米钴催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将钴盐、三聚氰胺、三聚氰酸在水中混合,形成分散均匀的溶液;
(2)在剧烈搅拌下,向步骤(1)所述溶液中滴加醛-醇混合溶液;
(3)滴加完成后,升温至40~100℃并保温10~40小时,然后蒸干溶剂,得到固体;
(4)将步骤(3)所得固体在110℃下烘干12小时后,在保护气流中于500~1000℃焙烧2~10小时,即得所述纳米钴催化剂。
3.根据权利要求2所述的纳米钴催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述钴盐为硝酸钴、醋酸钴、八羰基二钴、氯化钴和硫酸钴中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的纳米钴催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述钴盐、三聚氰胺、三聚氰酸的摩尔比为1~5:10:10。
5.根据权利要求2所述的纳米钴催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述醛-醇混合溶液中的醛为甲醛、乙醛、苯甲醛中至少一种;所述的醇为甲醇、苯甲醇、乙二醇、甘油、季戊四醇、木糖醇、山梨醇中至少一种。
6.根据权利要求2所述的纳米钴催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述醛和醇的摩尔比为0.5~5:0.1~2。
7.根据权利要求2所述的纳米钴催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(4)所述保护气选自氮气、氩气、氢气、二氧化碳中至少一种。
8.根据权利要求1所述的纳米钴催化剂的应用,其特征在于,将所述纳米钴催化剂用于烯烃、一氧化碳和一元醇氢酯基化反应生成羧酸酯,反应过程中,一氧化碳的充入量为6MPa,迅速升温至150℃,反应20小时。
9.根据权利要求8所述的纳米钴催化剂的应用,其特征在于,所述烯烃包括二异丁烯、正己烯、苯乙烯、环己烯中至少一种;所述一元醇包括甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇中至少一种。
10.根据权利要求9所述的纳米钴催化剂的应用,其特征在于,所述烯烃与一元醇的摩尔比为1:20;所述催化剂与烯烃的比例为10~12g:1mol。
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