[发明专利]一种生物炭为载体的Cu-Ni双金属催化剂及其应用

说明书

本发明公开了一种生物炭为载体的Cu‑Ni双金属催化剂及其应用。该Cu‑Ni双金属催化剂，由如下步骤制备得到：(1)搅拌条件下，将α‑纤维素与离子液体混合后加热，然后加入浓H₂SO₄直至混合物升温，反应10～20h后，经过滤、洗涤和干燥后，得到生物炭前驱体；(2)将生物炭前驱体在氮气气氛下，碳化，经洗涤和干燥后，得到生物炭；(3)将铜盐和镍盐依次溶于水混合均匀，加入生物炭搅拌浸渍，将浸渍的样品在真空干燥后，再在氮气气氛下，煅烧，接着在氢气气氛中还原得到生物炭基为载体的双金属Cu‑Ni催化剂。本发明涉及的制备生物炭为载体的Cu‑Ni双金属催化剂的方法使用源自于生物质的纤维素为原料，原料价廉且来源广泛。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，具体涉及一种生物炭为载体的Cu-Ni双金属催化剂及其应用。

背景技术

随着能源和环境问题日益突出，开发可再生新能源已成当务之急。生物质资源由于其廉价、可再生性和低污染性等特点，从生物质资源制备燃油以及精细化学品的新技术已受到国内外的广泛关注。

在生物质中，纤维素是自然界中最丰富的生物质资源，其主要来源于植物和农林废弃物。纤维素除可以直接制备生物炭(biochar,BC)等材料外，由纤维素水解而来的5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,HMF)是一种重要的呋喃衍生物，作为一种可生产多类化学品与高品质液体燃料的生物基平台化合物，近年来受到了国内外广泛的关注，甚至被誉为“沉睡的巨人”。HMF经过加氢脱氧反应可生产2,5-二甲基呋喃(2,5-dimethylfuran,DMF)和5-甲基糠醛(5-methylfurfural,MFF)，具体反应过程见式1(式1中注：DHMF：2，5-二羟甲基呋喃，MFA：5-甲基-2-呋喃甲醇)。DMF因其具有更高的沸点、更高的能量密度以及更低的水溶液溶解度。这些特性使得DMF具有适宜的气化性能，利于抑制发动机进气口的空气阻力，满足发动机的低温启动性能，是一种具有前途的运输燃料。此外，MFF是生产药品，农业化学品，香水以及食品工业中的调味品等的关键中间体，甚至被认为是一种潜在的抗肿瘤药物。

当前，国内外对生物炭的研究报道主要集中在催化剂、储能以及环境保护，而用作催化剂载体的报道甚少。

发明内容

本发明提供了一种生物炭为载体的Cu-Ni双金属催化剂及其应用，该生物炭为载体的Cu-Ni双金属催化剂包含两种活性组分：金属元素Cu、Ni形成的合金活性中心，负责HMF的加氢或氢转移；以及NiOx上的空轨道所形成的Lewis酸中心，负责HMF分子上C＝O以及C-O键的断裂，通过温度调控催化剂中Cu-Ni合金以及NiOx含量，可以调控产物MFF和DMF的分布。

本发明的目的是提出了一种生物炭为载体的Cu-Ni双金属催化剂，由如下步骤制备得到：

(1)搅拌条件下，将α-纤维素与离子液体混合后加热，α-纤维素与离子液体的质量比为1:10～3:20，然后加入浓H₂SO₄直至混合物升温至150～160℃，反应10～20h后，经过滤、洗涤和干燥后，得到生物炭前驱体；

(2)将步骤(1)得到的生物炭前驱体在氮气气氛下，500～700℃碳化3～4h，经洗涤和干燥后，得到生物炭；

(3)将铜盐和镍盐依次溶于水混合均匀，Cu²⁺和Ni²⁺的质量比为1:3～1:1，加入步骤(2)得到的生物炭搅拌浸渍，将浸渍的样品在真空干燥后，再在氮气气氛下，500～700℃煅烧3～4h，接着在氢气气氛中400～450℃下还原2～3h，再在600～650℃下还原2～3h，得到生物炭基为载体的双金属Cu-Ni催化剂。

生物炭具有较大的比表面积和较高的表面能，表面具有丰富的极性官能团，包括羧基、酚羟基、羰基、内酯、吡喃酮和酸酐等，从而为生物炭带来了良好的吸附特性。