[發明專利]一種超薄鎳釩層狀雙氫氧化物納米片的制備及其電催化苯酚羥基化性能

有效

• 申請號: 202110379987.2
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113308703B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 許艷旗;王林江;李廣耀;劉何俊;李發紅;韋金昊
• 申請（專利權）人: 桂林理工大學
• 主分類號: C25B3/07
• 分類號: C25B3/07;C25B3/23;C25B11/077;C01G53/00;B82Y40/00
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本發明公開了一種超薄鎳釩層狀雙氫氧化物納米片的制備及其電催化苯酚羥基化性能。本發明先采用一步共沉淀法合成超薄鎳釩層狀雙氫氧化物納米片，其金屬離子鎳和釩的摩爾比為3:1，平均厚度是4～5nm；再將超薄鎳釩層狀雙氫氧化物納米片用于電催化苯酚羥基化反應，在起始電壓為0.5V、反應溫度為40oC，反應時間為9h的條件下，苯酚轉化率達72.19％，對苯二酚的選擇性和產率分別為63.27％和45.68％。本發明將具有豐富變價和良好導電性能的釩和鎳元素引入納米片主體層板中，利用鎳和釩的相互協同作用以及納米片的超薄結構提高本征催化活性，在無需添加額外氧化劑的條件下，實現苯酚羥基化的高效轉化。

技術領域

本發明屬于催化劑制備技術領域，特別涉及一種超薄鎳釩層狀雙氫氧化物納米片的制備及其電催化苯酚羥基化性能。

技術背景

苯二酚是一類重要的有機化工中間體，可作為香料、染料、藥物和橡膠等精細化學品的重要生產原料、助劑和中間體。苯胺氧化法和對二異丙苯氧化法是早期工業制備苯二酚的主要方法，工藝成熟，產率較高。但這些傳統的合成路線存在反應步驟多、工藝流程復雜、生產效率低、副產物多且難分離、設備腐蝕嚴重等問題，不符合可持續發展的要求。開發一種綠色、簡單、高效的一步制備苯二酚工業化生產技術十分必要。

以過氧化氫(H₂O₂)為氧化劑的苯酚羥基化制苯二酚工藝因其流程短，反應條件溫和、副產物種類少等優勢，受到研究者的廣泛關注。但該工藝使用的催化劑主要集中在鐵基、銅基、分子篩及金屬氧化物等催化劑，面臨著鐵和銅基催化劑在反應過程中活性鐵和銅物種易流失，重復性差；分子篩催化劑難以控制活性組分含量且其催化活性和穩定性受限于孔徑尺寸的調控；多數金屬氧化物催化劑面臨反應選擇性低等問題。此外，H₂O₂作為氧化劑，其來源復雜，需要經多步合成。進一步地，該工藝是在熱催化條件下進行，通常需要使用化石燃料提供能量，導致大量能源消耗和溫室氣體排放。因此，開發新型催化體系，利用H₂O作為氧化劑，實現綠色、高效的苯酚羥基化制備苯二酚仍然是相關領域亟需解決的關鍵問題之一。

光催化和電催化技術由于綠色、高效、可深度活化化學鍵的優勢，在苯酚羥基化反應中展現了優異的催化活性。由于使用H₂O₂作氧化劑、光能利用效率有待提高、直接利用太陽光仍具有挑戰性等特點，光催化苯酚羥基化制苯二酚在工業上的應用尚未成熟。相比于光催化，電催化苯酚羥基化由H₂O直接提供氧源，以“電子”參與反應，可實現C-H鍵的直接羥基化，并可通過控制電催化條件實現不同產物的選擇性，是一種綠色可持續且更具有原子經濟性的轉化途徑。電催化苯酚羥基化的核心是電催化材料，起到提高催化效率和降低能耗的作用。目前電催化苯酚羥基化的催化材料主要集中在RuO₂、IrO₂、?SnO₂、PbO₂等貴(重)金屬氧化物，通常會引起苯酚過度氧化發生降解，并且此類催化劑往往受限于貴金屬高昂的成本和自然稀缺性、重金屬氧化物毒性等問題而難以實現工業化應用。因此，發展一類非貴(重)金屬電催化材料，實現電催化苯酚羥基化制苯二酚的高效轉化十分重要。

層狀雙氫氧化物(LDHs)是一類典型的二維層狀材料，具有獨特的結構和組成特點，可使其通過有效控制主體層板元素組成和比例、層板厚度以及粒徑大小等，實現電子、缺陷、表界面等結構的優化調控，從而大幅提升電催化苯酚羥基化活性、選擇性和穩定性。本發明將具有豐富變價與導電性能優異的釩和鎳元素引入超薄層狀雙氫氧化物納米片的主體層板中，利用鎳和釩的相互協同作用提高納米片電催化苯酚羥基化的催化活性。

發明內容

本發明提供一種超薄鎳釩層狀雙氫氧化物納米片的制備及其電催化苯酚羥基化性能。