[发明专利]一种高活性的芳香族硝基化合物加氢反应中的催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高活性的石墨烯负载的铂催化剂的制备及其在芳香族硝基化合物加氢反应中的应用。

 

背景技术

活性炭是一种多孔性载体，具有很高的比表面积，是催化剂载体中应用最早的一类碳材料，经常用于负载贵金属活性组分，如Pd、Pt、Ru等。在传统的活性炭基础上，人们又发展出了活性炭毡、活性炭布等新材料。相比常规活性炭，活性炭毡和活性炭布的吸附-脱附速率更快、比表面积更大、微孔孔径分布更均匀、平衡速率更快、液体渗透性更强。虽然活性炭比表面积大，但是由于传质阻力较大，制备过程中金属活性组分很难进入其微孔，所以其比表面积大的优势常常得不到充分的体现；同时，在低压反应中反应物也很难与微孔中的活性位点接触，这使得活性炭作为载体存在很多局限性。1991年，人们发现并成功合成了碳纳米管，相比于活性炭，虽然碳纳米管的比表面积较低，但是它所特有的中孔结构能避免或者减少非均相反应中类似微孔结构那样的不利因素，可以提高金属活性组分的分散和催化活性，因此，碳纳米管作为一种新的载体开始被广泛研究和应用。

最近，一种新兴的、只有单原子厚度的碳纳米片—石墨烯—成为了大家研究的焦点。从目前的研究中发现：作为石墨烯前躯体的氧化石墨烯不仅具有比活性炭和碳纳米管更大的理论比表面积（400-1500 m² g^-1），而且具有更为优良的导电和导热等性能。同时，由于石墨烯纳米片的上下两层都暴露出来，因而具有很高的比表面积利用效率。另外，石墨烯表面存在很多的含氧基团及碳或氧等缺陷。因而会带来许多化学活性位点，或作为金属颗粒的锚定位点。与此同时，相对于碳纳米管而言，石墨烯是一种合成工艺简单、价格低廉的碳材料，因而更易于规模化生产。由以上分析可以发现，（氧化）石墨烯将会成为一种性能优越的载体。

然而，目前的研究大多是关于石墨烯的纳米电子装置，比如电极、电池和超级电容器等，很少有将石墨烯作为非均相催化的载体。例如，Wang等将还原的氧化石墨烯负载的Pt纳米颗粒作为电极进行甲醇的电氧化，结果表明氧化石墨烯作为载体有着更大的催化活性（Carbon.2010, 48, 1124-1130）。Yin等报道了石墨烯负载的Pt-Au合金纳米颗粒的电极，将其用于甲酸电氧化时，表现出良好的电催化活性和稳定性（Chem. Mater. 2011, 23, 1079-1081）。Mülhaupt等研究了石墨烯负载的Pd纳米颗粒催化剂在碳-碳偶联反应中的应用，发现该催化剂比传统的Pd/C催化剂有着更高的催化活性，其TOF可达39000h^-1（J. Am. Chem. Soc.2009, 131, 8262-8270）。

针对目前石墨烯应用范围狭小，大规模制备及使用中存在较大困难的局面，本发明采用乙二醇作为还原剂，成功地将Pt纳米颗粒均匀地负载到了氧化石墨烯纳米片上，并将其应用到芳香族硝基化合物加氢反应中，表现出了明显优于普通碳载体负载的Pt催化剂的催化活性。

 

发明内容

本发明的目的是提供一种简便易行的石墨烯负载的Pt催化剂的制备方法。这种石墨烯负载的Pt催化剂相比于传统碳材料负载的Pt催化剂有着更高的催化活性和稳定性。

本发明具体技术方案如下：

本发明是一种高活性的芳香族硝基化合物加氢反应中的催化剂及其制备方法，催化剂的载体为石墨烯，活性组分是金属铂，催化剂的制备工艺如下：

(1). 取0.5克石墨烯，加入到200毫升乙二醇、55毫升蒸馏水混合溶液中，滴加0.25 mL的氯铂酸水溶液，其中铂含量0.1g/mL，搅拌120分钟；

(2). 将上述混合液移入500毫升的聚四氟乙烯反应釜，在120摄氏度油浴中搅拌反应24小时；

(3) 上述反应液冷却后用微孔滤膜抽滤，用100毫升无水乙醇淋洗。

本发明用于芳香族硝基化合物的加氢反应中，反应温度在0—40度，反应时间为20—180分钟。

本发明所述的芳香族硝基化合物主要包括：硝基苯、对氯硝基苯、间氯硝基苯，邻氯硝基苯、邻甲基硝基苯、对硝基苯酚、间硝基苯酚或对硝基苯胺。

针对目前石墨烯应用范围狭小，大规模制备及使用中存在较大困难的局面，本发明采用乙二醇作为还原剂，成功地将Pt纳米颗粒均匀地负载到了氧化石墨烯纳米片上，并将其应用到芳香族硝基化合物加氢反应中，表现出了明显优于普通碳载体负载的Pt催化剂的催化活性。