[发明专利]一种碳气凝胶催化剂及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂及其制备方法，尤其涉及一种碳气凝胶催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

石墨烯、碳纳米管中碳原子采取SP²杂化的全共轭结构，使碳纳米管具有高模量和高强度，高导电率和高导热性。

相对而言，石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；其导热系数高于碳纳米管和金刚石，达到5300 W/m·K，常温下其电阻率约10^-8 Ω·cm，为世上电阻率最小的材料。

由于两者超高的模量和强度，因此常被用作增强材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

但是其本身由于溶解性很差，因而不能实现大规模的宏观组装。

氧化石墨烯和羧化碳管是二者稳定的化学前驱体，其优秀的溶解性为石墨烯和碳纳米管的宏观组装奠定了基础，制备出了各种形式的纤维，膜以及碳气凝胶。氧化石墨烯以及羧化碳管本身及其相应的改性产物由于丰富的官能团和化学结构，使得其可以作为催化剂应用于有机反应的催化。

目前，绝大多数的有机反应的催化剂都是过渡金属，稀有金属，其成本高，资源消耗很大，不可重复再生更新。而目前发展的碳催化剂来自于生物资源，可重复再生，持久性很强。再加上其相对超低的价格，使得碳催化剂逐渐取代过渡金属催化剂，减少对过渡金属的依赖。而由氧化石墨烯和羧化碳管及其相应的改性产物组成的碳材料由于其巨大的比表面积，丰富的官能团（催化活性位点）以及化学结构，使得其不仅可以作为催化剂载体骨架，其本身还可以作为催化剂来使用。

近年来，这一类碳材料本身作为催化剂的应用已经得到了一定的发展，但其存在以下几个问题没有解决。

其一，其大都是溶解在相应的溶剂里面以增加比表面积，但是其减少了有效的催化反应时间，使得催化反应的选择性和有效性降低。

其二，反应完成后，产物与催化剂的分离需要反复的离心洗涤，后处理过程比较复杂。

其三，反应过程中，石墨烯片容易叠合，导致催化效率降低，催化循环性差，单位质量催化剂催化效率大大降低。

所以，如何克服以上三点的缺陷，高效、简单、高循环地利用碳催化剂快速、高选择性地催化有机反应仍然是一项重大挑战。

近年来，碳气凝胶的工作已经得到了一定的发展和重视，但是其催化剂方面的研究却发展相对缓慢。

发明内容

本发明的目的是克服现有碳材料在催化应用上的不足，结合碳气凝胶的优良性质，提供一种碳气凝胶催化剂及其制备方法和用途。

碳气凝胶催化剂的组成为碳材料，形态是任意形状的整块固体，形成固定床催化剂；所述的碳材料指的是氧化石墨、多孔氧化石墨烯、羧化碳管及其改性产物及其组合。

所述的氧化石墨、多孔氧化石墨烯或羧化碳管的改性方法为：将氧化石墨、多孔氧化石墨烯或羧化碳管上的官能团去掉、将碳骨架进行B、N、O参杂或者将官能团改性成-SO₃、-NH₂、-C₃N₄、-NEt₃或-PAMAM，片层尺寸大小为1nm-1mm，氧化石墨层数为1-100层，羧化碳管壁层数为1-20层，二者氧化程度为碳氧比8:1-1:1。

碳气凝胶催化剂的制备方法是：将碳材料溶液浓缩到5-300 mg/mL，装载到特定的反应器内，然后放在冷冻干燥器里冻干；或者，将碳材料溶液喷雾干燥后，装载到特定的反应器内，密度为5-300 mg/cm³。

所述的特定的反应器指的是随机形式的中空物体、金属或者非金属不可溶、不易分解的开放式泡沫孔状材料。

碳气凝胶催化剂用于催化各种有机反应。

所述的多种有机反应是氧化反应、还原反应、酸催化反应、碱催化反应或热分解反应。