[发明专利]一种C3N4载酸碱双功能MOFs基复合催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明属于固体复合催化剂领域，提供了一种C₃N₄载酸碱双功能金属有机骨架(MOFs)基复合催化剂及其制备方法和用途，制备步骤如下：将氮化碳和盐酸多巴胺溶于事先配制的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中，搅拌反应，反应结束后过滤，洗涤，干燥，得到C₃N₄@PDA；将锆盐，2‑氨基对苯二甲酸以及2‑磺酸基对苯二甲酸单钠溶解于弱酸性溶液中，超声分散，再将C₃N₄@PDA加入混合体系中，震荡混合，在水浴中反应；反应后的产物离心收集，洗涤；过滤，真空干燥，得到氮化碳载酸碱双功能MOFs基复合催化剂。该产品具有多孔结构和较大的比表面积，有助于葡萄糖分子的吸附以促进异构化过程和脱水反应。

技术领域

本发明属于固体复合催化剂领域，尤其是氮化碳载酸碱双功能金属有机骨架(MOFs)基复合催化剂及其制备方法。

背景技术

5-羟甲基糠醛(5-HMF)，一种分子中含呋喃环、羟基和醛基的生物质基平台化合物，它化学性质活泼，可以通过氧化、氢化和缩合等反应生成众多化学品，这些化学品在医药、农药、活性剂、光电材料等领域有着非常广泛的应用。因此它的研究以及在各个领域应用使其在生物质能源替代以煤、石油和天然气为代表的传统化石能源，解决日益增长的能源危机和环境污染问题方面做出了巨大的贡献。

5-HMF通常由纤维素、葡萄糖或果糖脱水生成。其中，虽然果糖是生产5-HMF工艺过程中最理想的生物质类原料，但是果糖的原料成本高，不利于5-HMF的大批量生产和实际应用。而来源广泛、储量丰富的纤维素由于在生产过程中5-HMF产率低、副产物多等缺点限制了其在实际生产中的应用。相较于纤维素和果糖，葡萄糖因其价格低廉，储量丰富且转化产率高等优点引起了广泛研究者的关注。葡萄糖转化成为5-HMF过程中，催化剂扮演着非常重要的角色，因此，迫切需要寻求一种高效、清洁的催化剂以提高5-HMF的产率和降低副产物的产生。

葡萄糖转化成5-HMF过程主要分为葡萄糖的异构化过程和果糖的脱水过程。目前，大量研究表明催化剂中的酸性位点对于果糖的脱水过程有着明显的催化作用，而碱性位点则有利于葡萄糖的异构化过程，因此，设计一种酸碱双功能催化剂则将实现一步法催化转化葡萄糖生成5-HMF。由于酸碱基团在均相体系中会发生酸碱中和反应，失去各自的催化性能，因此只有合成酸碱活性中心固定于载体表面的非均相催化剂才能实现酸碱协同作用以达到一步法催化葡萄糖转化生成5-HMF的目的。

目前，已经开发设计出的酸碱双功能固体催化剂还存在着一些问题，主要表现在：(1)催化剂孔隙结构单一，比表面积较小；(2)催化剂酸碱度较低，催化性能较差；(3)催化剂多为小颗粒状，催化剂与产物分离困难，且难再回收利用。

发明内容

针对现有的酸碱双功能催化剂制备的技术所存在的不足，本发明提供了一种氮化碳载酸碱双功能MOFs基复合催化剂及其制备方法和用途。首先，在C₃N₄表面包裹一层多巴胺，制备C₃N₄@PDA复合物；再通过调制水热法(Modulated Hydrothermal:MHT)在C₃N₄@PDA表面负载多孔的酸碱双功能的金属有机骨架配合物(Metal-organic framework：MOF)，成功制备多孔的氮化碳载酸碱双功能MOFs基复合催化剂——C₃N₄@PDA@UiO-66-NH₂-SO₃H。该方法制备过程较为简单，制备出的催化剂热稳定性较好，催化剂酸碱度较高，催化性能优良，再生性能良好。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。