[發明專利]一種硅膠柱撐介孔生物質碳固體磺酸的制備方法

有效

• 申請號: 201710017071.6
• 申請日: 2017-01-11
• 公開（公告）號: CN106914258B
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 伏再輝;馮瑤;張超;劉亞純;陳增添;李珊;張慎益
• 申請（專利權）人: 湖南師范大學
• 主分類號: B01J27/053
• 分類號: B01J27/053;B01J35/10;C13K3/00
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本發明提供一種用木質纖維類生物質制備硅膠柱撐介孔生物質碳固體磺酸（SiO₂?BC?SO₃H）的制備方法，以及用其催化蔗糖水解制備葡萄糖的方法。SiO₂?BC?SO₃H制備包括生物質熱碳化或濃硫酸脫水碳化、沸水溶脹、酸性硅溶膠插層、氮氣中加熱（350℃）脫水、濃硫酸磺化等步驟。本發明證實經上述步驟制備的SiO₂?BC?SO₃H的硅膠含量在15wt%左右，磺酸基密度在0.9 mmol/g以上，且具有層間介孔結構。將其用于催化蔗糖水解反應，與非孔型的生物質碳固體磺酸相比，表現出更優的催化活性和重復使用性。

技術領域

本發明屬于柱撐層間介孔型生物質碳材料的制備領域，具體為涉及一種用硅溶膠為柱撐劑，制備硅膠柱撐層間介孔生物質碳固體磺酸SiO₂-BC-SO₃H催化劑，以及使用該催化劑催化蔗糖水解反應的方法。

背景技術

隨著全球環境惡化，化石能源緊張，尋求一種綠色環保，低成本高功效和可持續發展的新能源來滿足對能源日益增長的需求已成為發展課題。生物質作為一種來源廣泛，成本低，綠色環保的資源越來越受到人們的重視，開發利用生物質資源已成為人們研究的熱點。生物質可通過真空熱碳化、濃硫酸脫水碳化、催化水熱碳化等各種炭化技術形成生物基炭材料，該材料可通過磺化引入磺酸基團而得到一種新型高效固體酸催化劑（S. N. Kang,J. Ye, J. Chang, International Review of Chemical Engineering, 2013, 5 (2),133-144）。這類生物碳基固體磺酸材料價廉易得、催化活性高、選擇性好、對設備腐蝕性小，以及良好的化學穩定性等優點使其成為酸催化領域的研究熱點。然而由于這類固體磺酸具有尺寸約1-1.5nm的聚合芳香烯通過其邊緣極性功能團強的氫鍵力能堆疊形成致密的類石墨烯層狀非孔結構（K Nakijima, M. Hara, ACS Catal., 2012, 2 1296-1304），其磺酸位被封閉，對一些非極性化合物的反應具有排斥作用；另外由于碳化程度低，其部分小分子碳片會在酸催化過程中從碳本體層狀堆集體上脫落，導致催化劑的再使用性變差（XunhuaMo, Dora E. López, Kaewta Suwannakarn, Yijun Liu, Edgar Lotero, James G.Goodwin Jr, Changqing Lu，Journal of Catalysis 254 (2008) 332–338）。高溫催化熱炭化能制備具有穩定孔結構的高表面生物基固體磺酸材料，但該類催化劑微孔多、磺酸量低，導致其酸催化效率不高（Suganuma, S.; Nakajima, K.; Kitano, M.; Yamaguchi,D.; Kato, H.; Hayashi, S.; Hara, M. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 12787?12793）。盡管可采用硬模板 （Ryoo, R.; Joo, S. H.; Jun, S. J. Phys. Chem. B 1999,103, 7743）或軟模板法（Meng, Y.; Gu, D.; Zhang, F. Q.; Shi, Y. F.; Yang, H. F.;Li, Z.; Yu, C. Z.; Tu, B.; Zhao, D. Y. Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 7053）制備有序介孔結構的生物碳基材料，但其使用的原料成本較高、制備過程復雜、不易控制、收率低、磺化能力也較差，作為固體酸的工業應用價值不高。

綜上所述，為了制備具有較大比表面和穩定孔道結構的生物基固體碳磺酸，本發明提供了一種利用價廉的硅溶膠為柱撐劑，采用水熱插層法焙燒脫水、然后用用濃硫酸磺化制備硅膠柱撐介孔生物質固體碳磺酸材料的方法，制備的固體酸催化劑在催化蔗糖水解反應中具有高傳質效率和優良的重復使用性，克服了傳統非孔型生物質碳磺酸存在的傳質效率低、穩定性差的缺點。

發明內容