[发明专利]纳米碳表面以离子液体为媒介的催化剂体系及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明化学催化剂及其制备和应用技术领域，具体涉及一种纳米碳表面以 离子液体为媒介的催化剂体系及其制备方法和应用。

背景技术

结合均相催化(催化剂的有效调节)和非均相催化(催化剂的简易回收) 优势的催化体系一直是化学科学中一项最具有挑战性的课题之一。已经提出的 关于这类结合的概念包括均相催化剂的非均相化以及其相反的过程。在过去几 年中，许多均相催化剂被有效的非均相化，比如液液两相催化，有机金属两相 催化方法或者直接将均相的催化剂分子负载于不同的固相载体。

另外，通过对文献的调研结果来看，离子液体对均相催化剂的分散及在催 化过程的转化频率都有极大的优势。相对于单独的均相催化体系，离子液体参 与的液液两相催化体系更容易实现催化剂与产物的分离。但相对于一般固载类 催化剂，离子液体用量较大产生的高成本则无疑大大降低了该体系的实用性。 因此，将离子液体为媒介的均相体系非均相化则可结合二者的优势，所得到的 催化体系更均匀、更稳定，可调控性能好，不容易流失，而且更绿色经济。

做为催化剂载体，纳米碳材料具有骨架结构稳定、低能耗、耐腐蚀等优点， 尤其随着人们对纳米碳材料的关注越来越多，纳米碳合成技术的优化，使其具 有巨大的发展潜力，逐渐成为一种广为人们所接受的催化剂。纳米碳表面石墨 结构与离子液体的阳离子之间的强相互作用力，使得离子液体在纳米碳表面直 接物理固化成为可能，在该过程中引入催化剂，则可形成以离子液体为媒介的 均相催化剂的非均相体系，既而引入液液两相催化体系的优势和纳米碳骨架的 优势。同时，可极大降低离子液体的用量，使其在实际过程中得到应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米碳表面以离子液体为媒介的催化剂体系及其 制备方法和应用，所得催化体系既能包含纳米碳材料的结构优势，又能提供厚 度低于10nm的含有催化剂的离子液体固化层，纳米尺度的反应媒介使之在反应 过程中能与反应底物很好的接触，降低非均相催化体系的传质劣势；通过改变 使用不同的离子液体，可用于分散不同种类的催化剂，使该催化体系适用于不 同的催化反应。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种纳米碳表面以离子液体为媒介的催化剂体系，该催化剂体系包括纳米 碳材料骨架、离子液体层和金属催化剂；所述离子液体层包覆于所述纳米碳材 料骨架表面，所述金属催化剂均匀分散于所述离子液体层内(催化剂以单分子 形式分散在离子液体层内)；所述离子液体层厚度为1nm-10nm。

该催化剂体系形状为纳米碳材料骨架所具有的形状，如管状，绳状，球状 或层状等，尺寸范围为2nm-200nm。

所述纳米碳材料骨架为具有SP2结构的纳米碳材料，具体可以为碳纳米管 (多壁或单壁)、纳米碳纤维、纳米金刚石、洋葱碳、石墨和石墨烯中的一种或 几种。

所述金属催化剂为杂多酸盐类、同多酸盐类、金属卤化物、金属硫酸盐、 金属氢氧化物或金属硝酸盐。

所述离子液体由阳离子和阴离子组成；其中：阳离子选自双甲基咪唑类、 乙腈基甲基咪唑类、氨基类、双氨基类、哌啶类、哌啶类双甲基、咪唑类、吡 啶类、胍类和醇胺类阳离子中的一种或几种；阴离子选自硼酸根、磷酸根、二 氰胺、三氟甲磺酸酯和三氟乙酸根中的一种或几种。

上述纳米碳表面以离子液体为媒介的催化剂体系的制备方法，包括如下步 骤：

(1)纳米碳材料的纯化处理：将碳纳米材料加入1～5mol/L的盐酸、硝酸 或盐酸与硝酸的混合酸溶液中，在常温下磁力搅拌2～3h，以除去纳米碳材料制 备过程中残留金属催化剂，然后将纳米碳材料洗至中性，放在干燥箱中烘干待 用。

(2)金属催化剂在离子液体中的分散：选取金属催化剂和相应的离子液体， 将金属催化剂溶解于离子液体中，然后在超声分散仪中超声分散或直接搅拌分 散，得到催化剂的离子液体溶液；催化剂用量为大于0到其在离子液体中饱和 溶解度量的80％。

(3)纳米碳材料在离子液体中的分散：将经步骤(1)处理所得纳米碳材 料与步骤(2)所得催化剂的离子液体溶液按照1:(8～15)的重量比例混合，混 合所得混合物置于超声波分散仪器中超声分散5～100分钟，得到混合均匀的浑 浊液。