[发明专利]一种氮掺杂石墨烯负载铁基催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂石墨烯负载铁基催化剂的制备方法，包括：步骤一、制备氮掺杂石墨烯；步骤二、将步骤一制备的氮掺杂石墨烯与二价铁盐溶液搅拌混合，去除溶剂、干燥后得到二价铁/氮掺杂石墨烯混合材料；步骤三、惰性气氛下，将步骤二制备的二价铁/氮掺杂石墨烯混合材料进行高温热解，得到所述氮掺杂石墨烯负载铁基催化剂；所述高温热解的温度为550～1200℃。本发明提出了一种氮掺杂石墨烯负载铁基催化剂的制备方法，制备得到的催化剂在芳硝基化合物催化加氢制备芳胺化合物的应用中具有极高的催化活性和选择性。

技术领域

本发明涉及催化剂领域，具体涉及一种氮掺杂石墨烯负载铁基催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

非均相催化加氢技术是实现化工原子经济过程最有效的手段之一。Ru，Rh，Pd，Pt，Ir和Au等贵金属以及Co，Ni，Fe，Cu等贱金属已被广泛用作各种不饱和官能团加氢的负载型非均相催化剂的活性组分。对于金属非均相加氢反应，Horuiti-Polanyi机理被普遍接受：基于现代物理化学表征技术和第一性原理，金属原子会催化H₂中H-H键的断裂，并吸附离解的氢原子。也就是说，H-H断裂和H原子的吸附需要金属态而不是氧化态的金属。在均相催化加氢反应中，与有机配体螯合的金属离子也是有活性的，在实验室和工业规模上均有应用。在这种情况下，由于配体可以作为电子供体或受体来调节金属离子的电子分布，所以不需要把金属离子还原成金属态，H₂的裂解和H的吸附就可以有效地发生。

非均相和均相催化氢化都有其固有的优缺点。虽然两者的共同目的都是催化加氢，但总是作为两个独立的研究领域出现。最近，MatthiasBeller课题组的报道打破了这种隔阂，他们通过在惰性气氛下800℃热解炭黑负载的醋酸亚铁-邻菲咯啉络合物，制得了一种高效的低负载铁基加氢催化剂，在很多不饱和官能团的加氢反应中具有优异的表现。作者认为该催化剂中形成了一种特殊的微观结构——Fe₂O₃颗粒由3-5层氮掺杂石墨烯所包裹，其中FeN_x是活性位点。在热解酞菁铁和硫代卟啉铁的复合物中也发现了类似的FeN_x结构，并证明其具有加氢活性。

但是使用这些铁基催化剂的反应条件苛刻，反应时间较长，或者使用大量水合肼作为还原剂，不利于催化剂的大规模推广应用。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种氮掺杂石墨烯负载铁基催化剂的制备方法，制备得到的催化剂在芳硝基化合物催化加氢制备芳胺化合物的应用中具有极高的催化活性和选择性。

具体技术方案如下：

一种氮掺杂石墨烯负载铁基催化剂的制备方法，包括：

步骤一、制备氮掺杂石墨烯；

步骤二、将步骤一制备的氮掺杂石墨烯与二价铁盐溶液搅拌混合，去除溶剂、干燥后得到二价铁/氮掺杂石墨烯混合材料；

步骤三、惰性气氛下，将步骤二制备的二价铁/氮掺杂石墨烯混合材料进行高温热解，得到所述氮掺杂石墨烯负载铁基催化剂；

所述高温热解的温度为550～1200℃。

作为优选，步骤一中，所述氮掺杂石墨烯的制备工艺为：

A、采用改进Hummers法制备氧化石墨烯分散液；

B、在步骤A所得的氧化石墨烯分散液中加入尿素，经超声处理、水热反应后，再经后处理得到氮掺杂石墨烯；

所述超声处理时间为0.5～4h，水热反应温度为160～200℃；

所述尿素与氧化石墨烯的质量比为0.5～10:1。