[發明專利]一種磁性炭基催化劑及制備方法和應用

在審

• 申請號: 202011069203.8
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112121818A
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 卜權;孔祥海;汪梅;龍海蓉;毛罕平
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B01J27/02
• 分類號: B01J27/02;C07D307/46
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于生物質廢棄物高值化利用技術領域，具體涉及一種磁性炭基催化劑及制備方法和應用。制備方法包括炭基載體的磺化，然后用沉淀法將磁性物質負載在磺化后的炭基載體上，得到磁性炭基催化劑。本發明還涉及一種磁性炭基催化劑在纖維素類生物質微波催化液化定向制備5?羥甲基糠醛的應用。本發明具有催化劑制備工藝簡單、選擇性好、分離方便、部分物質循環使用效果仍保持良好等特點。

技術領域

本發明屬于生物質廢棄物高值化利用技術領域，具體涉及一種磁性炭基催化劑及制備方法和應用。

背景技術

石油、煤炭以及天然氣都是現如今全球主要使用的一次能源。但是隨著人們對能源的需求及其品質的要求不斷增大，新型能源的高效開發和有效利用顯得尤為重要。生物質作為一種新型能源越來越受到人們的注意，利用可再生的生物質資源合成能源產品及高附加值化學品已逐漸成為近些年世界各國研究人員研究的熱點。糠醛作為美國能源部認定最具競爭力的生物質基平臺化合物之一，是目前唯一的完全利用農林廢棄物提煉獲得的重要化工原料之一。

雖然其較高的反應活性使得5-羥甲基糠醛具有廣闊的應用前景，但導致了其再生產過程中的產率低、選擇性差、能耗高。為了解決上述問題，研究人員已經做了許多研究。Yan等人以玉米秸稈為原料制備獲得一種炭固體酸催化劑，并研究了其在離子液體[Bmim][Cl]中一步法催化玉米秸稈制備5-羥甲基糠醛,當在150℃下反應30min后，獲得的5-羥甲基糠醛收率達到44.1％。Zhang等人通過模板法制備了一種大孔無機、有機雜化聚合物，然后將MIP與H₂S0₄進行同步水熱碳化和磺化得到一種具有多級孔結構的大孔炭固體酸催化劑，當以[Bmim][C1]為溶劑，催化纖維素轉化可獲得高達43.1％的5-羥甲基糠醛收率，產物選擇性為57.7％。可以看出，上述兩種方法，均存在制備方法較為復雜，且反應結束后，催化劑與反應殘渣混合，難以分離，催化劑無法循環使用，而且使用離子液體作為反應溶劑，導致成本過高、應用效果不佳等問題。

發明內容：

針對上述技術問題，本發明提供了一種磁性炭基催化劑及制備方法和應用。

在本發明專利中利用炭基載體，如碳納米管、活性炭比表面積大，活性前驅體在載體上易于分散均勻，而且本身便具備一定的催化活性，適合作為反應的載體的特性；在碳納米管、活性炭等炭基載體負載鐵元素，具有價格低廉，酸度大，還能使催化劑具有磁性，克服了不能將催化劑回收的問題；炭基催化劑在微波加熱條件下反應，具有獨特的傳熱傳質效果，能夠極大地提高炭基催化劑在微波輔助液化過程中對5-羥甲基糠醛的催化效果。本發明專利中提出使炭基載體如碳納米管、生物炭、活性炭帶有磁性并參與微波輔助液化過程中轉化纖維素類生物質為5-羥甲基糠醛的反應還未見報道。該方法克服了催化劑難以回收的問題，催化劑的催化活性和微波吸收能力難以協同等特點，并且制備方法簡單，磁性炭基催化劑可有效回收，對目標產物5-羥甲基糠醛選擇性高，具有良好工業應用前景。

一種磁性炭基催化劑的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

取炭基載體置于濃硫酸中，在一定溫度下磁力攪拌處理，之后抽濾，用去離子水洗滌磺化炭基載體至pH為7，在室溫下，用去離子水配置一定量含三氯化鐵和四水合二氯化鐵的水溶液于錐形瓶中，形成穩定的均一體系，并與一定質量的磺化炭基載體混合，攪拌均勻；在一定攪拌速度下，水浴升溫到50-60℃，逐滴滴加濃氨水調節pH到7-8，保溫1h，然后在70-80℃水浴鍋中保溫4-5h；冷卻后，用去離子水反復沖洗以去除合成過程中引入的Cl^-、NH₄⁺，然后從水溶液中磁性分離，在70-90℃下烘干，即得磁性炭基催化劑。

所述濃硫酸濃度為1mol/L；所述炭基載體為炭納米管、生物炭或活性炭。

磁力攪拌處理的溫度為70-80℃，時間為4-5h，轉速為200r/min。