[发明专利]一步水热碳化法合成碳基固体酸催化剂

说明书

技术领域

本发明涉及一种一步水热碳化法合成碳基固体酸催化剂，属于有机化学合成技术领域。

背景技术

在能源问题、环境问题出现危机的现今，以少量的能量不产生不必要的副产物仅有效地生成目的产物成为现代化工追求的目标。在现代化学产业中酸催化剂是必不可少的，广泛应用于药品、石油化学工业产品、高分子产品等各种各样产品的制造，但目前使用的大多为盐酸、硫酸之类的液体酸催化剂。在生产过程中使用的液体催化剂需要由碱中和，通过除去由中和生成的盐等工序，从产物中分离、回收。但是，上述中和与盐的除去工序中消耗相当一部分能量。另外，在市场上回收的盐供给过剩，其大多为可用性小的副产物，因此通常难于处理。

相对于上述情况，由于固体酸催化剂在分离、回收时不需要上述中和或盐的除去工序，可以不生成不必要的副产物，且节能地制造目的产物，因此这方面的研究已受到科学工作者的关注(Ishihara，K；Hasegawa，A；Yamamoto，H.Angew.Chem.Int.Ed.2001，40，4077.)。在固体酸催化剂的研究与开发方面，沸石、二氧化硅-氧化铝、含水铌等固体酸催化剂已成为化学工业的巨大成果，给社会带来很大贡献。另外，作为强酸聚合物，可认为将聚苯乙烯磺化得到的材料是固体酸，以往一直用作具有酸性的阳离子交换树脂。另外，已知在聚四氟乙烯骨架中具有磺基的Nafion(杜邦公司的注册商标)也是具有亲水性的极强的固体酸(固体超强酸)，已知它们作为具有大于液体酸的酸强度的超强酸起作用。但是，有对热不稳定、工业上使用时价格过高的问题。根据上述情况，从性能和成本等方面考虑，使用固体酸催化剂比使用上述液体酸更难于设计有利的工业工序，现今几乎所有的化学产业都依赖于液体酸催化剂。碳基固体酸催化剂作为一类新型催化剂，其合成和应用都得到了广泛的重视。但这类材料的合成过程繁琐，需要先在高温高压条件下进行碳化，温度一般在400度以上，时间超过15小时，在这一过程中会产生大量的废弃废液等有害物质。其次，需要经过浓硫酸的磺化过程，由于前面生成的碳材料的比较稳定，磺化过程也需要在苛刻的条件下进行。最后，需要从大量浓硫酸的溶液中分离出产品，这一过程也是很繁琐。

为了解决上述问题，并提供一种有工业前景的固体酸催化剂，本发明考虑通过一步水热合成法制备碳基固体酸材料。通过将一些易碳化的化合物和含磺酸基的功能性化合物按物质量之比为10～100∶1的比例配成水溶液，然后置于高压釜中，在150～200℃的烘箱中进行加热4～10小时，冷却到室温，打开高压釜，进行过滤，洗涤，烘干，即得新型碳基固体酸催化剂。另外，使用得到的固体酸，尝试催化酯化、缩合、烷基化、醚化等反应时，能够显著促进上述反应，因此作为固体酸催化剂是有用的，可以解决上述课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环境友好的一步水热碳化法合成碳基固体酸催化剂，以解决背景技术所存在问题。

本发明通过以下技术方案解决此技术问题，一步水热碳化法合成碳基固体酸催化剂，其特征在于：将易碳化的化合物和含磺酸基的功能性化合物按物质量之比为10～100∶1的比例配成水溶液，然后置于高压釜中，在150～200℃的烘箱中进行加热4～10小时，冷却到室温，打开高压釜，进行过滤，洗涤，烘干，即得碳基固体酸催化剂。

本发明进一步设置如下：

所述的易碳化的化合物为糖类化合物及其衍生物，优选自蔗糖，葡萄糖，呋喃甲醛，聚乙烯醇等的任意一种；

所述的水溶液中易碳化物质的浓度一般在3％～20％之间；

所述的含磺酸基的功能性化合物是指至少含有一个磺酸基官能团和其他活性基团的化合物，优选自2-羟乙基磺酸，乙烯磺酸，苯磺酸，对羟基苯磺酸，1，4-丁烷磺内酯等的任意一种；

本发明更进一步设置如下：一步水热碳化法合成碳基固体酸催化剂，其特征在于，包括以下步骤：

1、碳基固体酸催化剂的制备：通过将一些易碳化的化合物和含磺酸基的功能性化合物按物质量之比为10～100∶1的比例配成水溶液，然后置于高压釜中，在150～200℃的烘箱中进行加热4～10小时，冷却到室温，打开高压釜，进行过滤，洗涤，烘干，即得碳基固体酸催化剂；

2、催化剂的催化性能的考察：将上述制备的固体酸催化剂，用于酯化、缩合、烷基化、醚化等反应，并对其催化性能进行了考察；

3、催化剂重复使用：催化剂进行离心分液回收，直接用于下一次反应。

本发明的有益效果：

采用本发明的方法制备碳基固体酸催化剂，与背景技术相比具有以下优点：