[发明专利]一种石油沥青基非金属催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明属于碳纳米材料领域和催化技术领域，涉及一种石油沥青基非金属催化剂的制备方法，并提出上述材料在催化领域的应用。本发明选用碳含量高的石油沥青作为碳源，原料易得，价格低廉。以三氧化二铁为模板，以尿素为氮源，经模板导向和后续高温煅烧处理，制备孔结构丰富、含氮量高的氮掺杂多孔碳材料，比表面积可达883m²/g。制备工艺流程过程简单、操作容易，易于大规模工业化生产。所制石油沥青基氮掺杂多孔碳材料作为一种非金属催化剂，对硝基芳香化合物还原为胺基芳香化合物反应具有优秀的催化活性，在常温下数分钟内即可完成反应，转化率和选择性为100％，并可重复循环利用12次以上。所制非金属催化剂不含金属、贵金属组分，成本低廉，绿色环保，活性和稳定性优异，具有良好的工业应用前景。

技术领域

本发明属于碳纳米材料领域和催化技术领域，具体涉及一种石油沥青基非金属催化剂的制备方法，及其作为非金属催化剂催化硝基芳香化合物还原为胺基芳香化合物的应用。

背景技术

硝基芳香化合物通常作为污水的主要成分而被排放，它们可能会残留在动物产品中(如肉类和鸡蛋)。它们具有很强的致癌性，对人体的健康非常有害，美国环保局(USEPA)把芳香硝基类化合物列为114大重要有机污染物之一。而硝基芳香化合物还原为胺基芳香化合物是一类重要有机反应，其产物胺基芳香化合物无毒无害，是一类重要的有机合成原料，常被用来制作染料、医药、颜料、农药、木材防腐剂和橡胶化学品等。

贵金属常用来作为催化硝基芳香化合物还原的催化剂，如铂、金、钯等。这些贵金属虽然有很好的催化活性，但是本身资源稀缺，价格昂贵，而且对硝基芳香化合物的耐受性很低，会产生很多不需要的副产物导致产物不纯，同时金属元素对环境会带来诸多不利的影响。近年来，随着碳纳米材料领域的兴起，以碳材料作为基底的非金属催化剂开始应用于硝基芳香化合物的还原反应中。

与贵金属催化剂相比，碳材料价廉易得，对环境无害，且对芳香硝基有很高的耐受性，不会产生副产物，是一类绿色环保的硝基芳香化合物还原反应的催化剂。然而，与贵金属催化剂相比，非金属催化剂往往催化活性较低，难以达到工业化应用水平。

因此，开发一种催化活性高，稳定性好，可多次循环利用，制备流程简单，成本低廉，可大规模制备，绿色环保的碳基非金属催化剂具有重要的研究意义和工业应用前景。

CN104383943A、CN106311274A、CN105126869A中都提到了纳米复合材料作为还原对硝基苯酚的催化剂，与之相比，本发明的催化剂材料为非金属碳材料，原料更廉价易得，绿色环保，制备方法周期性更短，操作更为简单，制备成本更低，且本发明制备的材料催化活性更好，选择性优异，稳定性更为出色。

发明内容

本发明的目的在于提出一种廉价石油沥青基非金属催化剂的制备方法及其在催化硝基芳香化合物还原为胺基芳香化合物中的应用，其主要特征在于：以石油沥青为原料，以三氧化二铁为模板，以尿素为氮源，经模板导向和惰性气体中高温煅烧处理的方式制得石油沥青基氮掺杂多孔碳材料，所制备材料孔结构丰富、含氮量高，比表面积可达883m²/g，工艺流程过程简单、操作容易，易于大规模工业化生产。所制石油沥青基氮掺杂多孔碳材料作为一种非金属催化剂，对硝基芳香化合物还原为胺基芳香化合物反应具有优秀的催化活性，在常温下数分钟内即可完成反应，转化率和选择性为100％，并且可重复循环利用12次以上。所制非金属催化剂不含金属、贵金属组分，成本低廉，绿色环保，催化活性和稳定性优异。

催化剂具体的制备方法包括以下步骤：

(1)将石油沥青与氧化铁混合，溶于甲苯溶液中，充分搅拌，在高温下蒸干溶剂，得到红棕色固体样品；

(2)将上述得到的固体样品在惰性气体中高温煅烧，得到黑色固体；

(3)将黑色固体加入稀盐酸溶液，浸渍洗涤，过滤回收固体样品，再进行多次水洗至pH＝7，将样品真空干燥，得到石油沥青基多孔碳材料；