[发明专利]一种无金属催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种无金属催化剂的制备方法，该催化剂以二羧酸衍生物与三嗪类含氮杂环有机物为原料，在溶剂存在、65~150℃条件下反应48~72h，反应结束后冷却至室温，过滤，反应产物用溶剂洗涤后，干燥制得；本发明无金属催化剂能在无需助催化剂和溶剂的条件下，将CO₂与环氧化物转化为环状碳酸酯且催化效果显著、选择性高、反应条件温和并可循环使用多次，本发明方法简单易操作，适于工业化生产和市场推广应用。

技术领域

本发明涉及一种无金属催化剂的制备方法及其在催化CO₂转化为环状碳酸酯中的应用，属于材料化工领域。

背景技术

化石资源为主要能源的快速部署导致了二氧化碳（CO₂）的过量排放并进一步加剧了全球气候变暖。将丰富廉价、无毒惰性及可再生的CO₂转化为环状碳酸酯等高附加值产品是CO₂资源化利用和解决环境问题最经济有效的举措之一。环状碳酸酯因具有高介电常数、高极性、高结构可控性及可生物降解性等特点，从而被广泛应用于精细化工中间体、生物医药前体、能源材料等领域。

据以往文献报道，用于CO₂和环氧化物（高活性基质）环加成反应合成环状碳酸酯的催化体系主要分为均相催化剂和非均相催化剂两类。然而，均相催化剂在工业规模化应用中受到限制。近年来，以提高循环利用率为目标的高效非均相催化剂的开发已成为研究热点。使用最广泛的非均相催化体系包括金属有机骨架（MOFs）、负载型席夫碱金属络合物、碱金属卤化物等金属基催化剂体，以及改性分子筛、离子液体、沸石和多孔炭等其他非均相催化体系。上述非均相催化体系在CO₂环加成反应中也表现出良好的催化性能，但仍存在一些有待解决的问题，如部分金属基催化剂在产品中的金属残留、载体易脱落、热稳定性低、制备工艺复杂、以及使用卤化物作为亲核试剂引起的不锈钢反应设备或其他相关部件的腐蚀等。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种无金属催化剂的制备方法，该方法以二羧酸衍生物与三嗪类含氮杂环有机物为原料，在溶剂存在、65~150℃条件下反应48~72h，反应结束后冷却至室温，过滤，反应产物用溶剂洗涤后，干燥即得无金属催化剂；本发明“一步法”制备得到的无金属催化剂在无需助催化剂和溶剂的条件下，能将CO₂与环氧化物转化为环状碳酸酯，反应中催化效果显著、选择性高、反应条件温和并可循环使用多次；该催化剂符合经济、绿色可持续的观念且在CO₂转化、减排等方面显示出独特的优势。

所述二羧酸衍生物为3,4-呋喃二羧酸、2,4-呋喃二羧酸、2,5-呋喃二羧酸、2,3,4,5-呋喃四羧酸、咪唑-4,5-二羧酸、2,5-噻吩二羧酸、2,5-吡啶二羧酸、3,4-吡啶二羧酸、2,4-吡啶二羧酸、2,6-吡啶二羧酸、2,3-吡啶二羧酸、3,5-吡啶二羧酸中的一种。

所述三嗪类含氮杂环有机物为三聚氰胺、1,3,5-三(4-氨基苯基)三嗪（TAPT）、2,6-三肼基-1,3,5-三嗪中的一种，1,3,5-三(4-氨基苯基)三嗪参照Gomes R,Bhanja P,Bhaumik A. A triazine-based covalent organic polymer for efficient CO₂adsorption[J]. Chemical Communications, 2015, 51, 10050-3中方法制得，2,6-三肼基-1,3,5-三嗪参照Y. T. Fan, G. Li, Z. F. Li, H. W. Hou, H. R. Mao, Journal ofMolecular Structure, 2004, 693, 217–224中方法制备。

所述溶剂为二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、乙二醇、甲醇、二甲基甲酰胺、1,4-二氧杂环乙烷、乙酸中的中的一种或几种。

所述二羧酸衍生物与三嗪类含氮杂环有机物的摩尔比为3:2~3:1。