法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2018-07-24
授权
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2016-04-13
实质审查的生效 IPC(主分类):B01J27/24 申请日:20151215
实质审查的生效
2016-03-16
公开
公开
技术领域
本发明属于催化剂技术领域,具体涉及一种用于醇氧化合成醛或酮的磁性可回收催化剂 及其制备方法。
背景技术
醇的氧化反应是制备醛、酮的重要途径之一,在精细化工、专用化学品工业和医药领域 应用十分广泛。传统有机化工中使用铬酸盐、高锰酸盐、有机过酸等强氧化剂将醇氧化为醛 或者酮,强氧化剂容易造成过度氧化,醛或者酮的选择性较低,副反应多,而且有大量三废 物产生。近年来,纳米贵金属非均相催化剂可很好地解决上述传统方法存在的不足,在这类 新型催化剂作用下,醇类可高选择性的转化为相应的醛或酮,而且使用的氧化剂如氧气、空 气或过氧化氢,对环境友好。目前报道的贵金属催化剂有:金催化剂[Appl.Catal.A,2001,211: 251;Chem.Commum.,2006,3178;GreenChem.,2005,7:768;GreenChem.,2007,9:267;J. Phys.Chem.C,2008,112:6981;J.ColloidInterfaceSci.,2009,333:317;Appl.Catal.A,2008, 344:150;J.Catal.,2011,281:30;催化学报,2015,36(8):1358-1364];钌催化剂[J.Am.Chem. Soc.,2000,122(299):7144;J.Am.Chem.Soc.,2003,125(8):2195;J.Catal.,2001,202(2):296; J.Catal.,2005,235:10;化工学报,2006,57(3):577;Chem.Commun.,2009,1912;Ind.Eng. Chem.Res.,2014,53:12548.]以及钯催化剂[Catal.Lett.,2007,115:133;Appl.Catal.A:General, 2008,334:217;Catal.Commun.,2009,10:1459;J.Mole.Catal.A:Chemical,2010,331(1-2):78; 催化学报,2011,32(11),1693;Appl.Catal.B:Environmental,2013,(136-137):177.]。其中,由于 Pd的资源相对丰富、价格相对低廉,更适合用于工业催化。
性能优越的负载型贵金属催化剂一般要求:活性中心粒径小、尺寸分布窄,载体也需要 小尺寸化。但催化剂的纳米化也带来了分离上的困难,纳米催化剂很难用过滤或离心的方法 分离,使得催化剂重复使用性能下降,成本高;此外,上述报道的催化剂,通常需要添加碱 性助剂才能获得理想的催化效果,这不仅增加了使用成本,而且碱性助剂也可能导致生产设 备和产品的污染。
发明内容
针对现有技术存在的缺点与不足,本发明要解决的技术问题是提供一种用于醇氧化合成 醛或酮的磁性可回收催化剂及其制备方法。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案如下:
一种用于醇氧化合成醛或酮的磁性可回收催化剂,由N掺杂碳包磁性金属载体和附着于 载体上的活性钯组成,活性钯占催化剂质量的0.5~10%。该催化剂具有磁性,可采用磁场分 离。
所述的N掺杂碳包磁性金属载体是一种核壳结构,外层碳中掺杂N原子,N掺杂的原子 比优选为1.5~4%;内核中的金属为具有磁性的铁、钴、镍中的一种或几种任意组合。
所述的活性钯优选为零价钯、络合二价钯,或为二者的组合。
上述催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)采用电弧法合成N掺杂碳包磁性金属载体,将添加Fe、Co、Ni中的一种或几种的 碳素材料作为电极安装到自耗电极电弧炉中进行放电,以氮气作为保护气氛、电源为交流电 源,电极消耗完后,收集炉壁上的微粉,用筛子筛去金属颗粒和碳渣,再用盐酸浸泡微粉去 除未包裹的金属,去离子水洗涤至中性,干燥后即得N掺杂碳包磁性金属。
(2)采用下述方法中的一种制备催化剂前躯体:
将钯盐用盐酸溶解配制钯溶液,往钯溶液中加入分散剂和步骤(1)所得N掺杂碳包磁 性金属微粉,充分分散后再加入还原剂,还原结束后收集固体,用无水乙醇洗涤,干燥后得 到催化剂前躯体。
或者:将钯盐用盐酸溶解配制钯溶液,往钯溶液中加入(1)所得N掺杂碳包磁性金属 微粉,充分分散后减压蒸馏除去水,干燥后得到催化剂前躯体。
(3)将步骤(2)所得催化剂前躯体碾成粉状,并将该微粉在空气流中于180~240℃煅 烧1~5小时,改通氮气保护,再于170~240℃下通氢气1~4小时,得到催化剂成品。
步骤(1)中进行放电的条件优选为:放电电流600~1100A,放电电压20~50V。
步骤(2)中所述的钯盐优选为氯化钯、醋酸钯或硝酸钯。
步骤(2)中所述的分散剂优选为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或十二烷基硫酸钠。
步骤(2)中所述的还原剂优选为乙醇。
步骤(3)中煅烧的温度优选为210℃;通氢气时的温度优选为200℃。
上述催化剂在醇氧化合成相应醛或酮中的应用,较低温度和氧气或空气作氧化剂下,能 显著提高醇氧化的转化率,提高醛或酮的选择性,不需要另外添加碱性助剂,催化剂的磁性 分离操作十分简便,可大大提高催化剂的循环使用性能,降低使用成本。
贵金属催化剂通常在碱性环境中可提高催化效果,在醇氧化制备醛酮的催化反应中往往 需要添加大量的碱性助剂,本发明中采用了N掺杂碳包磁性金属载体,载体表层中掺杂的N 原子充当了碱基,对钯的催化起到明显的促进作用,同时载体表面的N对钯有锚定作用,可 有效地防止反应或回收过程中活性钯的脱落。
与现有技术相比,本发明具有如下的优点和有益效果:
(1)本发明催化剂的分离回收十分简便,只需要在非金属反应器的外壁附加一个磁铁, 即可实现催化剂的分离。
(2)本发明催化剂载体表层中含有N原子,对钯的活性起到明显的促进作用,催化过 程中无需添加碱性助剂。
(3)本发明催化剂中钯的活性高,在低温、氧气或空气下,对醇氧化反应催化效果显著, 生成的醛或酮的选择性高,反应过程中无任何有害废气废物产生。
(4)本发明催化剂可重复使用,大大降低了其工业使用成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
N掺杂碳包磁性金属通过如下方法制备:选取两根纯度为99.99%的碳棒,分别沿轴向打 孔,向孔中填满棒状或颗粒状金属,金属为Fe、Co、Ni中的一种或几种。将制备好的碳棒 作为电极安装到自耗电极电弧炉中,抽真空至1×10-2Pa,充入1×10-2MPa~6×10-2MPa的静 态氮气,接通交流电源,控制电压在20~50V、电流在600~1100A范围,保持两电极在电 弧下均匀蒸发,电极消耗完后,待炉体冷却至室温,打开炉腔,收集内壁周围的微粉,用200 目筛子筛去金属颗粒和碳渣,再用盐酸浸泡进一步去除未包裹的金属,去离子水洗涤至中性, 干燥后即得N掺杂碳包磁性金属,其表层碳中N掺杂的原子比为1.5~4%。下述实施例中所 用N掺杂碳包磁性金属为N掺杂碳包磁性铁,其表层碳中N掺杂的原子比为3.2%。N掺杂 的原子比与自耗电极电弧炉中充入静态氮气的压力有关,N掺杂的原子比为3.2%时,自耗电 极电弧炉中充入了2×10-2MPa的静态氮气。
下述实施例中所用12mmol/L的H2PdCl4溶液通过如下方法制备:称取PdCl20.5310g(3 mmol)于50mL小烧杯中,加入0.2mol/L的盐酸溶液30mL(6mmol)和适量去离子水, 搅拌溶解后转入250mL容量瓶中,用去离子水定容至刻度线,充分摇振,即得12mmol/L 的H2PdCl4溶液。
实施例1
(1)取12mmol/L的H2PdCl4溶液40mL至1000mL三口烧瓶中,加入1gPVP、200mL 去离子水和1.0gN掺杂碳包磁性金属,常温搅拌3小时,充分分散后,加入250mL无水乙 醇,40℃下搅拌1小时,再升温至80℃下搅拌2小时,还原结束后在烧瓶外壁贴附强力磁铁, 微粉很快被吸附在磁铁周围,倾除烧瓶中上层清液,用无水乙醇洗涤若干次,残留固体于50℃ 下真空干燥2小时,得催化剂前躯体。
(2)将步骤(1)所得的催化剂前躯体碾成粉状,并将该微粉在空气流(30mL/min)中 煅烧,煅烧过程中设定温度为210℃之间、煅烧时间2小时,改通N2(流量30mL/min,20 分钟)保护后,将温度调至200℃,再通H2(流量20mL/min)2小时。降至室温后,即得 钯含量为5%的催化剂成品。
在装有导管、冷凝器的10mL的三口烧瓶中加入苯甲醇和本实施例得到的催化剂,投料 摩尔比为n(苯甲醇):n(Pd)=2000:1,常压下通入O2,100℃反应24小时,苯甲醇的转化率 为86%,苯甲醛的选择性为87%,见表1。
实施例2
(1)取12mmol/L的H2PdCl4溶液40mL至500mL三口烧瓶中,加入100mL去离子 水、0.5gPVP和1.0gN掺杂碳包磁性金属,常温搅拌3小时,充分分散后,减压蒸馏除去大 部分水分,再于真空干燥箱中60℃低温干燥12小时,得催化剂前躯体。
(2)按实施例1中步骤(2)进行煅烧和H2还原,得钯含量为5%的催化剂成品。
在装有导管、冷凝器的10mL的三口烧瓶中加入苯甲醇和本实施例得到的催化剂,投料 摩尔比为n(苯甲醇):n(Pd)=2000:1,常压下通入O2,100℃反应24小时,苯甲醇的转化率 为83%,苯甲醛的选择性为88%,见表1。
实施例3
(1)取12mmol/L的H2PdCl4溶液40mL至1000mL三口烧瓶中,加入1g十二烷基硫 酸钠、100mL去离子水和1.0gN掺杂碳包磁性金属,常温搅拌3小时,充分分散后,加入 250mL无水乙醇,40℃下搅拌1小时,再升温至80℃下搅拌2小时,还原结束后在烧瓶外 壁贴附强力磁铁吸附微粉,倾除烧瓶中上层清液,用无水乙醇洗涤若干次,残留固体于50℃ 下真空干燥2小时,得催化剂前躯体。
(2)按实施例1中步骤(2)进行煅烧和H2还原,得钯含量为5%的催化剂成品。
在装有导管、冷凝器的10mL的三口烧瓶中加入苯甲醇和本实施例得到的催化剂,投料 摩尔比为n(苯甲醇):n(Pd)=2000:1,常压下通入O2,100℃反应24小时,苯甲醇的转化率 为85%,苯甲醛的选择性为87%,见表1。
实施例4
(1)取12mmol/L的H2PdCl4溶液24mL至1000mL三口烧瓶中,加入1gPVP、100mL 去离子水和1.0gN掺杂碳包磁性金属,常温搅拌3小时,充分分散后,加入200mL无水乙 醇,40℃下搅拌1小时,再升温至80℃下搅拌2小时,还原结束后在烧瓶外壁贴附强力磁铁 吸附微粉,倾除烧瓶中上层清液,用无水乙醇洗涤若干次,残留固体于50℃下真空干燥2小 时,得催化剂前躯体。
(2)按实施例1中步骤(2)进行煅烧和H2还原,得钯含量为3%的催化剂成品。
在装有导管、冷凝器的10mL的三口烧瓶中加入苯甲醇和本实施例得到的催化剂,投料 摩尔比为n(苯甲醇):n(Pd)=2000:1,常压下通入O2,100℃反应24小时,苯甲醇的转化率 为32%,苯甲醛的选择性为92%,见表1。
实施例5
(1)取12mmol/L的H2PdCl4溶液80mL至1000mL三口烧瓶中,加入1.2gPVP、100 mL去离子水和1.0gN掺杂碳包磁性金属,常温搅拌3小时,充分分散后,加入500mL无 水乙醇,40℃下搅拌1小时,再升温至80℃下搅拌2小时,还原结束后在烧瓶外壁贴附强力 磁铁吸附微粉,倾除烧瓶中上层清液,用无水乙醇洗涤若干次,残留固体于50℃下真空干燥 2小时,得催化剂前躯体。
(2)按实施例1中步骤(2)进行煅烧和H2还原得钯含量为10%的催化剂成品。
在装有导管、冷凝器的10mL的三口烧瓶中加入苯甲醇和本实施例得到的催化剂,投料 摩尔比为n(苯甲醇):n(Pd)=2000:1,常压下通入O2,100℃反应24小时,苯甲醇的转化率 为38%,苯甲醛的选择性为90%,见表1。
实施例6
(1)取12mmol/L的H2PdCl4溶液4mL至500mL三口烧瓶中,加入0.3gPVP、100mL 去离子水和1.0gN掺杂碳包磁性金属,常温搅拌3小时,充分分散后,加入100mL无水乙 醇,40℃下搅拌1小时,再升温至80℃下搅拌2小时,还原结束后在烧瓶外壁贴附强力磁铁 吸附微粉,倾除烧瓶中上层清液,用无水乙醇洗涤若干次,残留固体于50℃下真空干燥2小 时,得催化剂前躯体。
(2)按实施例1中步骤(2)进行煅烧和H2还原,即得钯含量为0.5%的催化剂成品。
在装有导管、冷凝器的10mL的三口烧瓶中加入苯甲醇和本实施例得到的催化剂,投料 摩尔比为n(苯甲醇):n(Pd)=2000:1,常压下通入O2,100℃反应24小时,苯甲醇的转化率 为10%,苯甲醛的选择性为93%,见表1。
实施例7
(1)取12mmol/L的H2PdCl4溶液40mL至1000mL三口烧瓶中,加入1gPVP、100mL 去离子水和1.0gN掺杂碳包磁性金属,常温搅拌3小时,充分分散后,加入250mL无水乙 醇,40℃下搅拌1小时,再升温至80℃下搅拌2小时,还原结束后在烧瓶外壁贴附强力磁铁 吸附微粉,倾除烧瓶中上层清液,用无水乙醇洗涤若干次,残留固体于50℃下真空干燥2小 时,得催化剂前躯体。
(2)按实施例1中步骤(2)进行煅烧和H2还原,其中煅烧温度为180℃。得钯含量为 5%的催化剂成品。
在装有导管、冷凝器的10mL的三口烧瓶中加入苯甲醇和本实施例得到的催化剂,投料 摩尔比为n(苯甲醇):n(Pd)=2000:1,常压下通入O2,100℃反应24小时,苯甲醇的转化率 为90%,苯甲醛的选择性为63%,见表1。
实施例8
(1)取12mmol/L的H2PdCl4溶液40mL至1000mL三口烧瓶中,加入1gPVP、100mL 去离子水和1.0gN掺杂碳包磁性金属,常温搅拌3小时,充分分散后,加入250mL无水乙 醇,40℃下搅拌1小时,再升温至80℃下搅拌2小时,还原结束后在烧瓶外壁贴附强力磁铁 吸附微粉,倾除烧瓶中上层清液,用无水乙醇洗涤若干次,残留固体于50℃下真空干燥2小 时,得催化剂前躯体。
(2)按实施例1中步骤(2)进行煅烧和H2还原,其中煅烧温度为240℃。得钯含量为 5%的催化剂成品。
在装有导管、冷凝器的10mL的三口烧瓶中加入苯甲醇和本实施例得到的催化剂,投料 摩尔比为n(苯甲醇):n(Pd)=2000:1比,常压下通入O2,100℃反应24小时,苯甲醇的转化 率为38%,苯甲醛的选择性为91%,见表1。
实施例9
在装有导管、冷凝器的10mL的三口烧瓶中加入肉桂醇和实施例1得到的催化剂,投料 摩尔比为n(肉桂醇):n(Pd)=2000:1,常压下通入O2,100℃反应24小时,肉桂醇的转化率 为79%,肉桂醛的选择性为80%,见表1。
实施例10
在装有导管、冷凝器的10mL的三口烧瓶中加入对甲基苯甲醇和实施例1得到的催化剂, 投料摩尔比为n(对甲基苯甲醇):n(Pd)=2000:1,常压下通入O2,140℃反应24小时,对甲 基苯甲醇的转化率为35%,对甲基苯甲醛的选择性为99%,见表1。
实施例11
在装有导管、冷凝器的10mL的三口烧瓶中加入1-苯基乙醇和实施例1得到的催化剂, 投料摩尔比为n(1-苯基乙醇):n(Pd)=2000:1,常压下通入O2,90℃反应24小时,1-苯基乙 醇的转化率为90%,对苯甲酮的选择性为98%,见表1。
实施例12
空白试验:在装有导管、冷凝器的10mL的三口烧瓶中加入苯甲醇,不加入催化剂情况 下,常压下通入O2,100℃下24小时苯甲醇的转化率为<2%,见表1。
实施例13
采用实施例1得到的催化剂,对苯甲醇催化氧化进行循环试验,催化剂循环使用7次, 催化效果没有明显差异,结果见表2。
表1.采用本发明催化剂和未采用催化剂对醇氧化反应的效果对比
表2.本发明催化剂对苯甲醇氧化反应循环使用性能
从表1中可以看出,实施例12中苯甲醇在不加入催化剂下,很难发生氧化生成苯甲醛。 将实施例1~8所得的催化剂用于苯甲醇氧化反应,在氧气为氧化剂和无溶剂、无催化助剂下, 苯甲醇的转化率均有显著提高,最高为90%,苯甲醛的选择性为63~91%,综合考虑,实施 例1所得的催化剂的综合性能最优。将实施例1所得的催化剂用于其他醇如肉桂醇和对甲基 苯甲醇氧化反应,也获得理想的催化效果。将实施例1所得的催化剂用于1-苯基乙醇氧化反 应,1-苯基乙醇的转化率达到90%,生成的苯甲酮的选择性为98%,催化效果显著。
从表2中可以看出,实施例1所得的催化剂用于苯甲醇需氧氧化反应,连续循环使用7 次性能没有出现下降。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制, 其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应 为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
机译: 用于合成醛或醇的催化剂以及使用该催化剂生产醛或醇的催化剂
机译: 包含硅氧簇单元的新型氧化催化剂(具有高分子量),可用于将烃氧化为醇,氢过氧化物,醛,酮,羧酸或羧酸酯
机译: 使用非均相催化剂通过柠檬醛和丙酮的醛醇缩合缩合制备假紫罗酮,包括利用基于稀土金属的负载型非均相催化剂,所述稀土金属被施加到例如碳纳米管上。二氧化锆载体作为载体材料