CN112774666A - 肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂的制备方法，包括以下步骤：对石墨进行电化学插层和超声剥离，使得贵金属盐负载在石墨烯上，再经过微波辐射还原，制得肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂。根据上述方法制备得到的肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂，活性组分贵金属以原子级形式高分散、高稳定的负载在石墨烯上，用于肉桂醛选择性加氢生成肉桂醇的反应中表现出高活性、高选择性和高稳定性。
Description
技术领域
本发明属于催化剂合成技术领域，具体涉及一种肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂及其制备方法。
背景技术
α，β不饱和醛选择性加氢生成α，β～不饱和醇是香料、药物以及其他精细化工产品生产的重要原料和中间体，在有机合成中也有广泛应用。肉桂醛是α，β不饱和醛的一个典型代表，它具有苯环、C＝O双键和C＝C双键，形成一个共轭体系，由于C＝C键的键能(615KJ·mol～1)低于C＝O键(715KJ·mol～1)，前者的加氢在热力学上更有利，使得要在C＝O键上选择加氢而不破坏C＝C较难，加氢选择性较差。解决上述问题的关键之一是设计合适的催化剂。
单原子贵金属催化剂是一种新型催化剂，基于原子级别的金属活性组分，在最大化活性位点数量、增强对目标产物的选择性、提高固有催化活性和减少贵金属用量方面显示出巨大的优势，有望用于肉桂醛选择性加氢生成肉桂醇，目前合成单原子催化剂面临的最主要挑战是：如何使形成的单原子均匀分散的同时避免金属原子发生团聚。
石墨烯为单原子层石墨，由碳原子以sp2杂化紧密连接的原子单层构成，在物理上是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种真正意义上的二维原子晶体。石墨烯具有很高的电导率、导热性、良好的机械强度、柔韧性、化学稳定性以及很高的比表面积，是构成其他碳质材料的基本单元，自2004年被发现后受到了各界学者的广泛关注。如果能将贵金属中心分散到石墨烯的骨架中/上，可以显著提高活性中心的分散度，提高单位面积上活性中心的数量。
目前还未有单原子贵金属/石墨烯复合材料作为肉桂醛加氢生成肉桂醇的催化剂的文献报道。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种肉桂醛加氢用单原子贵金属催化剂/石墨烯的制备方法，该方法制得的催化剂，活性组分贵金属以原子级形式高分散、高稳定的负载在石墨烯上，用于用于肉桂醛选择性加氢生成肉桂醇的反应中表现出高活性、高选择性和高稳定性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂的制备方法，包括如下步骤：对石墨进行电化学插层和超声剥离，使得贵金属盐负载在石墨烯上，再经过微波辐射还原，制得肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂。
优选地，所述肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)以天然鳞片石墨作为阳极，以铂片作为阴极，在电解质溶液中进行恒电流电解，所述电解质由贵金属盐和酸性物质组成；电解结束后，将电解产物经中和，水洗，过滤，干燥，得到插层石墨；
(2)将步骤(1)的插层石墨分散在溶液中进行超声剥离，得到石墨烯分散液；
(3)将步骤(2)的石墨烯分散液进行微波辐射；微波辐射结束后，将微波辐射产物经水洗，过滤，干燥，得到肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂。
优选地，步骤(1)中所述贵金属盐为Pt的无机盐，所述电解质溶液中贵金属盐的浓度为0.0001～0.01mol/L。
优选地，步骤(1)中所述酸性物质为浓硫酸、高氯酸、冰醋酸中的任意一种或两种以上的混合物，所述电解质溶液中酸性物质的浓度为3～15mol/L。
更优选地，步骤(1)中所述酸性物质由高氯酸和冰醋酸组成，所述高氯酸的浓度为2.5～10mol/L，所述冰醋酸的浓度为2.5～10mol/L。
优选地，步骤(1)中所述电解质溶液的浓度为30～70wt％，所述贵金属盐的加入量应使最终应使贵金属以原子计在最终制备的催化剂中的含量为0.01～2％，以催化剂重量计。
优选地，步骤(1)中所述电解的电流密度为20～70mA/cm2，所述电解的温度为10～60℃，所述电解的时间为20～120min。
优选地，步骤(1)中所述干燥的温度为40～70℃，所述干燥的时间为6～12h。
优选地，步骤(2)所述溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、苯酸苄酯中的任意一种或两种以上的混合物。
优选地，步骤(2)所述超声的功率为20～30W，所述超声的时间为1～6h。
优选地，步骤(3)所述微波辐射的功率为600～1000w，所述微波辐射的时间为1～10min。
优选地，步骤(3)所述干燥的温度为40～70℃，所述干燥的时间为6～12h。
根据上述方法制备得到的肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂，活性组分贵金属以原子级形式高分散、高稳定的负载在石墨烯上，可用于肉桂醛加氢生成肉桂醇的反应中。
与现有技术相比，本发明的制备过程简单，通过对石墨进行电化学插层，将贵金属以阴离子的方式原位均匀的***石墨层间，同时利用石墨自身的层状结构将贵金属阴离子限制在层间，得到插层均匀的插层石墨，整个插层过程简单易调控；然后将插层石墨经过超声剥离，得到石墨烯；最后通过微波辐射将负载在石墨烯上的金属盐还原成单原子金属，得到肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂；石墨烯自身大的比表面积为贵金属的分散与稳定提供更好的场所，同时可以更好地与加氢反应的底物肉桂醛接触进行反应；石墨烯结构中的π电子可形成离域的π键的性质，增强催化剂对加氢反应的底物肉桂醛的吸附能力；石墨烯自身具有一定的氢气吸附能力，而对贵金属的负载，会进一步提高石墨烯的氢气吸附能力；制得的催化剂，活性组分贵金属以原子级形式高分散、高稳定的负载在石墨烯上，用于肉桂醛选择性加氢生成肉桂醇的反应中表现出高活性、高选择性和高稳定性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细地说明。
本发明的肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂的制备方法，包括如下步骤：对石墨进行电化学插层和超声剥离，使得贵金属盐负载在石墨烯上，再经过微波辐射还原，制得肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂。
优选地，所述肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)以天然鳞片石墨作为阳极，以铂片作为阴极，在电解质溶液中进行恒电流电解，所述电解质由贵金属盐和酸性物质组成；电解结束后，将电解产物经中和，水洗，过滤，干燥，得到插层石墨；
(2)将步骤(1)的插层石墨分散在溶液中进行超声剥离，得到石墨烯分散液；
(3)将步骤(2)的石墨烯分散液进行微波辐射；微波辐射结束后，将微波辐射产物经水洗，过滤，干燥，得到肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂。
优选地，步骤(1)中所述贵金属盐为Pt的无机盐，例如可以是氯铂酸、氯化铂、硝酸铂、氯铂酸钠、氯铂酸钾中的任意一种或两种以上的混合物，所述电解质溶液中贵金属盐的浓度为0.0001～0.01mol/L。
优选地，步骤(1)中所述酸性物质为浓硫酸、高氯酸、冰醋酸中的任意一种或两种以上的混合物，所述电解质溶液中酸性物质的浓度为3～15mol/L。
更优选地，步骤(1)中所述酸性物质由高氯酸和冰醋酸组成，所述高氯酸的浓度为2.5～10mol/L，所述冰醋酸的浓度为2.5～10mol/L。
优选地，步骤(1)中所述电解质溶液的浓度为30～70wt％，所述贵金属盐的加入量应使最终应使贵金属以原子计在最终制备的催化剂中的含量为0.01～2％，以催化剂重量计。
优选地，步骤(1)中所述电解的电流密度为20～70mA/cm2，所述电解的温度为10～60℃，所述电解的时间为20～120min。
优选地，步骤(1)中所述干燥的温度为40～70℃，所述干燥的时间为6～12h。
优选地，步骤(2)所述溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、苯酸苄酯中的任意一种或两种以上的混合物。
优选地，步骤(2)所述超声的功率为20～30W，所述超声的时间为1～6h。
优选地，步骤(3)所述微波辐射的功率为600～1000w，所述微波辐射的时间为1～10min。
优选地，步骤(3)所述干燥的温度为40～70℃，所述干燥的时间为6～12h。
根据上述方法制备得到的肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂，活性组分贵金属以原子级形式高分散、高稳定的负载在石墨烯上。
根据上述方法制备得到的肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂，可用于肉桂醛加氢生成肉桂醇的反应中。
上述催化剂的性能评价在50mL的高压反应釜中进行，溶剂异丙醇30mL，肉桂醛1g，催化剂0.05g，反应气体为氢气(1.5MPa)，反应温度为80℃，反应时间为2h。反应结束后冷却至室温，离心分离的滤液用日本岛津GC-2014C型气相色谱定量检测。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
将带孔的塑料薄膜包裹10g天然鳞片石墨后固定贴紧在不锈钢板上作为阳极，以铂片作为阴极，在100mL电解质水溶液中进行恒电流电解，电解质由氯铂酸、高氯酸和冰醋酸组成，电解质水溶液中，氯铂酸的浓度为0.0001mol/L，高氯酸的浓度为10mol/L，冰醋酸的浓度为2.5mol/L,电流密度为20mA/cm2，电解温度为60℃，电解时间为20min，电解结束后，将电解产物经中和、水洗、过滤后，在40℃干燥12h，得到插层石墨。
将上述插层石墨分散于100mL乙二醇溶液中，20W超声处理6h，得到石墨烯分散液，再将石墨烯分散液在600W微波中辐射10min，将微波辐射产物经水洗，过滤后，在40℃真空干燥12h，得到肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂。
实施例2
将带孔的塑料薄膜包裹10g天然鳞片石墨后固定贴紧在不锈钢板上作为阳极，以铂片作为阴极，在100mL电解质水溶液中进行恒电流电解，电解质由氯铂酸、高氯酸和冰醋酸组成，电解质水溶液中，氯铂酸的浓度为0.01mol/L，高氯酸的浓度为2.5mol/L，冰醋酸的浓度为10mol/L，电流密度为70mA/cm2，电解温度为10℃，电解时间为120min，电解结束后，将电解产物经中和、水洗、过滤后，在70℃干燥12h，得到插层石墨。
称取1g上述插层石墨分散于100mL乙醇溶液中，30W超声处理1h，得到石墨烯分散液，再将石墨烯分散液在1000W微波中辐射1min，将微波辐射产物经水洗，过滤后，在70℃真空干燥6h，得到肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂。
实施例3
将带孔的塑料薄膜包裹10g天然鳞片石墨后固定贴紧在不锈钢板上作为阳极，以铂片作为阴极，在100mL电解质水溶液中进行恒电流电解，电解质由氯铂酸、高氯酸和冰醋酸组成，电解质水溶液中，氯铂酸的浓度为0.0002mol/L，高氯酸的浓度为10mol/L，冰醋酸的浓度为2.5mol/L，电流密度为60mA/cm2，电解温度为10℃，电解时间为100min，电解结束后，将电解产物经中和、水洗、过滤后，在40℃干燥12h，得到插层石墨。
将上述插层石墨分散于100mL DMF溶液中，30W超声处理3h，得到石墨烯分散液，再将石墨烯分散液在800W微波中辐射2min，将微波辐射产物经水洗，过滤后，在60℃真空干燥12h，得到肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂。
将实施例1～3的肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂用于肉桂醛选择性加氢制备肉桂醛的反应中，结果如表1所示。
从表1可以看出，本发明的肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂，用于肉桂醛选择性加氢制备肉桂醇的反应中，表现出高活性、高选择性的特点，而且重复使用多次，未出现烧结团聚现象，活性、选择性未出现明显下降，表现出高稳定性的特点。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：对石墨进行电化学插层和超声剥离，使得贵金属盐负载在石墨烯上，再经过微波辐射还原，制得肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)以天然鳞片石墨作为阳极，以铂片作为阴极，在电解质溶液中进行恒电流电解，所述电解质由贵金属盐和酸性物质组成；电解结束后，将电解产物经中和，水洗，过滤，干燥，得到插层石墨；
(2)将步骤(1)的插层石墨分散在溶液中进行超声剥离，得到石墨烯分散液；
(3)将步骤(2)的石墨烯分散液进行微波辐射；微波辐射结束后，将微波辐射产物经水洗，过滤，干燥，得到肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述贵金属盐为Pt的无机盐，所述电解质溶液中贵金属盐的浓度为0.0001～0.01mol/L。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述酸性物质为浓硫酸、高氯酸、冰醋酸中的任意一种或两种以上的混合物，所述电解质溶液中酸性物质的浓度为3～15mol/L，优选地，所述酸性物质由高氯酸和冰醋酸组成，所述高氯酸的浓度为2.5～10mol/L，所述冰醋酸的浓度为2.5～10mol/L。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述电解质溶液的浓度为30～70wt％，所述贵金属盐的加入量应使最终应使贵金属以原子计在最终制备的催化剂中的含量为0.01～2％，以催化剂重量计。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述电解的电流密度为20～70mA/cm2，所述电解的温度为10～60℃，所述电解的时间为20～120min。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、苯酸苄酯中的任意一种或两种以上的混合物，所述超声的功率为20～30W，所述超声的时间为1～6h。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述微波辐射的功率为600～1000w，所述微波辐射的时间为1～10min。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(3)所述干燥的温度为40～70℃，所述干燥的时间为6～12h。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的制备方法制备得到的肉桂醛加氢用单原子贵金属/石墨烯催化剂。
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