CN107252695A - 钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂及其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂及应用，其制备方法包括：1)将碳纳米管氧化，得到羧基化碳纳米管；2)将镍盐溶于乙醇和水的混合溶液，加入所述的羰基化纳米管，超声，干燥，焙烧，得到镍填充的羧基化碳纳米管；3)将所述的镍填充的羧基化碳纳米管分散于Tris缓冲液，加入多巴胺，搅拌，离心干燥，得到聚多巴胺包裹磁性碳管；4)将所述的聚多巴胺包裹磁性碳管分散于钯盐的水溶液，超声，加热搅拌蒸发，烘干后还原，得到钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂。本发明的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂具有优秀的磁分离性能，能够在反应完后从液相中有效分离出来，有效提高了催化剂的回收率。
Description
技术领域
本发明涉及一种催化剂领域，特别是涉及一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂及应用。
背景技术
Heck反应形成C-C键的主要反应之一。在药物、染料、香精等重要化合物合成方面具有非常重要的作用。迄今为止，Pd是Heck反应的主要催化剂。工业上使用的传统型催化剂常常存在着诸多的缺点如，均相催化剂在反应中很难从溶液中分离出来，导致产物的污染，进而增加了产物提纯的步骤，使得反应成本高，流程复杂；贵金属催化剂很昂贵，导致反应成本非常高；一些含膦配体的Pd催化剂具有非常高的活性及选择性。但是此类催化剂对环境的污染非常大。这些缺点导致Heck反应不能大规模的工业化。
为了摆脱此类问题对进一步工业应用的限制，研究者将均相Pd活性中心固载在载体上，转化为非均相催化剂。此类载体包括，碳材料(活性炭、石墨烯、碳纳米管等)、金属氧化物、聚合物、分子筛等。由于碳材料具有极大的比表面积，能够为贵金属活性中心提供更多的活性位点，使得负载型催化剂具有更高的活性，因而更加受到研究人员的青睐。然而，传统的活性炭负载Pd催化剂在反应中，由于活性炭具有很大的化学惰性，在反应中，活性中心容易流失、团聚等问题。
近年来，纳米材料越来越受到研究人员的关注。这是因为纳米材料具有很大的比表面积，能够给活性中心提供更多的活性位点。磁性纳米载体在Heck领域的应用极大的提高了催化剂的分离、回收性能，减少了催化剂在分离过程中的损失。然而，目前的磁性催化剂仍然存在活性中心Pd在反应中的滤出、流失的问题，使其无法在医药合成领域应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种新型的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂及应用。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：本发明提出的一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其包括：
1)将碳纳米管氧化，得到羧基化碳纳米管；
2)将镍盐溶于乙醇和水的混合溶液，加入所述的羰基化纳米管，超声，干燥，焙烧，得到镍填充的羧基化碳纳米管；
3)将所述的镍填充的羧基化碳纳米管分散于Tris缓冲液，加入多巴胺，搅拌，离心干燥，得到聚多巴胺包裹磁性碳管；
4)将所述的聚多巴胺包裹磁性碳管分散于钯盐的水溶液，超声，加热搅拌蒸发，烘干后还原，得到钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂。
优选的，前述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其中所述的碳纳米管的内径为5-15nm。
优选的，前述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其中，所述的步骤1)中的氧化，其包括：将碳纳米管置于浓硝酸中，在130-150℃下回流10-15h，过滤洗涤，干燥。
优选的，前述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其中，所述的步骤2)中的焙烧条件为在氮气氛围下，300-350℃焙烧3-5h。
优选的，前述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其中，所述的步骤2)中的还原条件为在氢气氛围下，300-350℃还原1-3h。
优选的，前述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其中，所述的镍填充的羧基化碳纳米管中，镍与羧基化碳纳米管的质量比为5-15:85-95。
优选的，前述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其中，所述的步骤4)中的还原条件为在氢气氛围下，180-220℃下还原。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：本发明提出的一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂，由上述的方法制备而得。
优选的，前述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂，其中所述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂中，镍的晶粒尺寸为7.7-8.1nm；聚多巴胺的厚度为11-15nm；钯的颗粒尺寸为6.8-12nm。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：本发明提出的一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的应用，将上述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂用于催化Heck反应。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明以碳纳米管作为壳，通过填充方法制备磁性纳米载体。这种方法可有效利用碳纳米管本身的高热稳定性、较强的抗酸碱性能以及独特的空腔结构，防止磁性材料的损失，并有利于载体的表面修饰,可进一步应用负载催化剂活性中心，以实现催化剂在液相的磁分离。
2)本发明的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂具有优秀的磁分离性能，能够在反应完后从液相中有效分离出来，有效提高了催化剂的回收率；催化剂重复使用5次性能不下降，有效降低了催化剂的成本；此外，载体表面多巴胺，给Pd活性中心提供了大量的活性位点，在反应中，有效抑制了催化剂的流失。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明的一个实施例提出的一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其包括：
1)将碳纳米管置于质量分数置于68％浓硫酸中，在130-150℃下回流氧化10-15h，以去除掉碳纳米管生产过程中的过渡金属催化剂以及无定形碳，并在表面嫁接羧基等官能团；反应完成后，待混合溶液冷却，将固体过滤出，依次使用乙醇和去离子水多次洗涤；将固体混合物放于60℃水浴中，持续搅拌，防止碳纳米管结块；固体缓慢蒸干后，将黑色粉末样品置于60℃真空干燥箱中24小时，得到羧基化碳纳米管(CNT)；
2)将镍盐溶于乙醇和水的混合溶液，超声溶解均匀；加入所述的羰基化纳米管，超声4-10h，将固体过滤，获得黑色固体；将该黑色固体置于真空干燥箱中，粉末样品60℃真空干燥24h；在氮气氛围下，300-350℃焙烧3-5h，在氢气气氛下300-350℃还原1-3h，得到镍填充的羧基化碳纳米管(Ni@CNTs)；
3)将所述的镍填充的羧基化碳纳米管通过超声分散于Tris缓冲液，加入多巴胺，在30℃搅拌48h，1000r/min条件下离心5min获得络合物，并将络合物多次使用乙醇水溶液清洗；在60℃水浴蒸干后转移至真空干燥箱，在60℃下干燥24h，得到聚多巴胺包裹磁性碳管(Ni@CNTs@PDA)；
4)将所述的聚多巴胺包裹磁性碳管分散于钯盐的水溶液，超声2h，将悬浮液在60℃水浴条件下缓慢蒸发，并保持持续搅拌；待溶液蒸干后，将固体转移至真空干燥箱，并在60℃下烘干；在氢气氛围下，180-220℃条件还原，得到钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂(Ni@CNTs@PDA-Pd)。
优选的，碳纳米管的纯度为95％，内径为5-15nm。
优选的，镍填充的羧基化碳纳米管中，镍与羧基化碳纳米管的质量比为5-15:85-95。
优选的，Tris缓冲液的pH值为8.5。
本发明的一个实施例提出的一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂，由上述的方法制备而得。
钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂，以碳纳米管为骨架，管内为填充的Ni颗粒，镍的晶粒尺寸为7.7-8.1nm；碳纳米管的管外包裹了聚多巴胺(PDA),聚多巴胺的厚度为11-15nm；Pd纳米颗粒负载在PDA的表面，钯的颗粒尺寸为6.8-12nm。
聚多巴胺分子含有大量的氨基和羟基基团，这些基团为给Pd纳米颗粒提供了结合位点，使得Pd物种以二价Pd和零价态Pd结合在载体表面。由于聚多巴胺和Pd纳米颗粒之间的强相互作用，在反应过程中，Pd颗粒不容易出现团聚和脱落，因此，可以提高催化剂的稳定性，从而提高催化剂的重复使用性能。
本发明的一个实施例提出的一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的应用，将上述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂用于催化Heck反应。
实施例1
本发明的一个实施例提出的一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其包括：
1)将1g碳纳米管置于质量分数置于68％浓硫酸(25mL)中，在140℃下回流氧化14h，以去除掉碳纳米管生产过程中的过渡金属催化剂以及无定形碳，并在表面嫁接羧基等官能团；反应完成后，待混合溶液冷却，将固体过滤出，依次使用乙醇和去离子水多次洗涤；将固体混合物放于60℃水浴中，持续搅拌，防止碳纳米管结块；固体缓慢蒸干后，将黑色粉末样品置于60℃真空干燥箱中24小时，得到羧基化碳纳米管(CNT)；
2)将硝酸镍溶于乙醇和水体积比3:1的混合溶液，超声溶解均匀；加入所述的羰基化纳米管，超声10h，将固体过滤，获得黑色固体；将该黑色固体置于真空干燥箱中，粉末样品60℃真空干燥24h；在氮气氛围下，350℃焙烧4h，在氢气气氛下350℃还原1h，得到镍填充的羧基化碳纳米管(Ni@CNTs)；其中，Ni和CNT的质量比为15:85；
3)将所述的118mg镍填充的羧基化碳纳米管通过超声分散于Tris缓冲液(pH＝8.5)，加入多巴胺(1g，2mg/mL)，在30℃油浴中搅拌48h，1000r/min条件下离心5min获得络合物，并将络合物多次使用乙醇水溶液清洗；在60℃水浴蒸干后转移至真空干燥箱，在60℃下干燥24h，得到聚多巴胺包裹磁性碳管(Ni@CNTs@PDA)；
4)将所述的0.5g聚多巴胺包裹磁性碳管分散于30mL6mmol/L的氯钯酸铵水溶液中(Pd原子担载量为0.4mol％)，超声2h，将悬浮液在60℃水浴条件下缓慢蒸发，并保持持续搅拌；待溶液蒸干后，将固体转移至真空干燥箱，并在60℃下烘干；在氢气氛围下，200℃条件还原，得到钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂(Ni@CNTs@PDA-Pd)。
本发明的一个实施例提出的一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂，由上述的方法制备而得。钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂，以碳纳米管为骨架，管内为填充的Ni颗粒，镍的晶粒尺寸为8.1nm；碳纳米管的管外包裹了聚多巴胺,聚多巴胺的厚度为11nm；Pd纳米颗粒负载在PDA的表面，钯的颗粒尺寸为6.8nm。
实施例2
本发明的一个实施例提出的一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其包括：
1)将1g碳纳米管置于质量分数置于68％浓硫酸(25mL)中，在130℃下回流氧化15h，以去除掉碳纳米管生产过程中的过渡金属催化剂以及无定形碳，并在表面嫁接羧基等官能团；反应完成后，待混合溶液冷却，将固体过滤出，依次使用乙醇和去离子水多次洗涤；将固体混合物放于60℃水浴中，持续搅拌，防止碳纳米管结块；固体缓慢蒸干后，将黑色粉末样品置于60℃真空干燥箱中24小时，得到羧基化碳纳米管(CNT)；
2)将硝酸镍溶于乙醇和水体积比3:1的混合溶液，超声溶解均匀；加入所述的羰基化纳米管，超声4h，将固体过滤，获得黑色固体；将该黑色固体置于真空干燥箱中，粉末样品60℃真空干燥24h；在氮气氛围下，300℃焙烧5h，在氢气气氛下300℃还原3h，得到镍填充的羧基化碳纳米管(Ni@CNTs)；其中，Ni和CNT的质量比为5:95；
3)将所述的100mg镍填充的羧基化碳纳米管通过超声分散于Tris缓冲液(pH＝8.5)，加入多巴胺(2g，2mg/mL)，在30℃油浴中搅拌48h，1000r/min条件下离心5min获得络合物，并将络合物多次使用乙醇水溶液清洗；在60℃水浴蒸干后转移至真空干燥箱，在60℃下干燥24h，得到聚多巴胺包裹磁性碳管(Ni@CNTs@PDA)；
4)将所述的0.5g聚多巴胺包裹磁性碳管分散于30mL8mmol/L的氯钯酸铵水溶液中，超声2h，将悬浮液在60℃水浴条件下缓慢蒸发，并保持持续搅拌；待溶液蒸干后，将固体转移至真空干燥箱，并在60℃下烘干；在氢气氛围下，220℃条件还原，得到钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂(Ni@CNTs@PDA-Pd)。
本发明的一个实施例提出的一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂，由上述的方法制备而得。钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂，以碳纳米管为骨架，管内为填充的Ni颗粒，镍的晶粒尺寸为7.7nm；碳纳米管的管外包裹了聚多巴胺,聚多巴胺的厚度为15nm；Pd纳米颗粒负载在PDA的表面，钯的颗粒尺寸为12nm。
实施例3
本发明的一个实施例提出的一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其包括：
1)将1g碳纳米管置于质量分数置于68％浓硫酸(25mL)中，在150℃下回流氧化13h，以去除掉碳纳米管生产过程中的过渡金属催化剂以及无定形碳，并在表面嫁接羧基等官能团；反应完成后，待混合溶液冷却，将固体过滤出，依次使用乙醇和去离子水多次洗涤；将固体混合物放于60℃水浴中，持续搅拌，防止碳纳米管结块；固体缓慢蒸干后，将黑色粉末样品置于60℃真空干燥箱中24小时，得到羧基化碳纳米管(CNT)；
2)将硝酸镍溶于乙醇和水体积比3:1的混合溶液，超声溶解均匀；加入所述的羰基化纳米管，超声8h，将固体过滤，获得黑色固体；将该黑色固体置于真空干燥箱中，粉末样品60℃真空干燥24h；在氮气氛围下，350℃焙烧3h，在氢气气氛下350℃还原2h，得到镍填充的羧基化碳纳米管(Ni@CNTs)；其中，Ni和CNT的质量比为10:90；
3)将所述的100mg镍填充的羧基化碳纳米管通过超声分散于Tris缓冲液(pH＝8.5)，加入多巴胺(1g，2mg/mL)，在30℃油浴中搅拌48h，1000r/min条件下离心5min获得络合物，并将络合物多次使用乙醇水溶液清洗；在60℃水浴蒸干后转移至真空干燥箱，在60℃下干燥24h，得到聚多巴胺包裹磁性碳管(Ni@CNTs@PDA)；
4)将所述的0.5g聚多巴胺包裹磁性碳管分散于30mL8mmol/L的氯钯酸铵水溶液中，超声2h，将悬浮液在60℃水浴条件下缓慢蒸发，并保持持续搅拌；待溶液蒸干后，将固体转移至真空干燥箱，并在60℃下烘干；在氢气氛围下，210℃条件还原，得到钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂(Ni@CNTs@PDA-Pd)。
本发明的一个实施例提出的一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂，由上述的方法制备而得。钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂，以碳纳米管为骨架，管内为填充的Ni颗粒，镍的晶粒尺寸为8.3nm；碳纳米管的管外包裹了聚多巴胺,聚多巴胺的厚度为12nm；Pd纳米颗粒负载在PDA的表面，钯的颗粒尺寸为10nm。
对比例1为实施例1中的Ni@CNTs@PDA；对比例2直接将Pd负载在CNTs上，为CNTs-Pd；对比例3制备方法相似，但不使用多巴胺，为Ni@CNTs-Pd。
本发明的一个实施例提出的一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的应用，将实施例的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂及对比例用于催化Heck反应。反应测试条件：将5mmol(1.02g)碘苯，7.5mmol(0.78g)苯乙烯，7.5mmol(0.76g)三乙胺加入到10ml的N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，转移至50ml圆底烧瓶中。反应条件为：110℃下磁力搅拌反应3h。催化剂用量为15.9mg(质量分数为5％)。每次反应过后，反应液冷却至室温。然后催化剂通过磁分离进行分离。接着，使用20ml的溶剂DMF多次洗涤。最后将洗涤后的催化剂直接用于下轮新的反应中。实施例及对比例的催化性能如表1所示。
表1实施例及对比例催化剂对Heck反应的催化性能
由表1可以看出,对比例1中，催化剂在5轮反应中，均没有活性，说明催化剂载体Ni@CNTs@PDA对Heck反应是没有活性的。Pd是该反应的活性组份。对比例2和对比例3的转化率急剧，这是因为Pd与CNTs之间较弱的相互作用力，Pd纳米颗粒一定程度的团聚，致使CNTs-Pd在前几轮中不断滤出了一定量的Pd物种活性组分，而这些组分在每轮反应后，只有少量的再回到载体表面以及一定程度的脱落使得活性组分的流失，所以随着反应循环次数增加，其转化率不断下降。对比例3与对比例2相比，具有更好的重复性能，是因为对比例3具有磁性，在重复使用中，提高了催化剂的回收量，减少了损失。实施例1-3的催化剂在五轮反应中都维持良好的转化率，不仅仅是因为每轮反应后使用磁分离方法对催化剂损失影响小，更重要的是因为PDA对CNTs进行表面修饰后，对活性组分Pd纳米粒子起到了良好的分散效果，提高了Pd纳米粒子在载体表面的分散度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，其包括：
1)将碳纳米管氧化，得到羧基化碳纳米管；
2)将镍盐溶于乙醇和水的混合溶液，加入所述的羰基化纳米管，超声，干燥，焙烧，还原，得到镍填充的羧基化碳纳米管；
3)将所述的镍填充的羧基化碳纳米管分散于Tris缓冲液，加入多巴胺，搅拌，离心干燥，得到聚多巴胺包裹磁性碳管；
4)将所述的聚多巴胺包裹磁性碳管分散于钯盐的水溶液，超声，加热搅拌蒸发，烘干后还原，得到钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂。
2.根据权利要求1所述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，所述的碳纳米管的内径为5-15nm。
3.根据权利要求1所述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中的氧化，其包括：将碳纳米管置于浓硝酸中，在130-150℃下回流10-15h，过滤洗涤，干燥。
4.根据权利要求1所述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中的焙烧条件为在氮气氛围下，300-350℃焙烧3-5h。
5.根据权利要求1所述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中的还原条件为在氢气氛围下，300-350℃还原1-3h。
6.根据权利要求1所述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，所述的镍填充的羧基化碳纳米管中，镍与羧基化碳纳米管的质量比为5-15:85-95。
7.根据权利要求1所述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤4)中的还原条件为在氢气氛围下，180-220℃下还原。
8.一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂，其特征在于，由权利要求1-7任一项所述的方法制备而得。
9.根据权利要求8所述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂，其特征在于，所述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂中，镍的晶粒尺寸为7.7-8.1nm；聚多巴胺的厚度为11-15nm；钯的颗粒尺寸为6.8-12nm。
10.一种钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂的应用，将权利要求8-9任一项所述的钯基多巴胺包裹磁性碳纳米管催化剂用于催化Heck反应。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171017 |
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