[发明专利]磺化碳量子点、其制备方法以及作为催化剂在制备5-羟甲基糠醛中的应用

说明书

本发明公开了一种磺化碳量子点，其粒径大小为1.5‑4.5nm，具有类石墨烯结构，表面修饰着羟基、羧基和磺酸基。本发明以生物质为原料首先通过过氧化氢辅助的水热法制备表面含有羟基和羧基的碳量子点，然后将碳量子点进行磺化处理，在其表面连接磺酸基团，得到磺化碳量子点。本发明的磺化碳量子点可作为催化剂用于催化果糖脱水制备5‑羟甲基糠醛，具有高的果糖转化活性、高的5‑羟甲基糠醛产率和优异的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种磺化碳量子点、其制备方法以及作为催化剂在催化果糖脱水制备5-羟甲基糠醛反应中的应用。

背景技术

传统化石资源日益枯竭，不能被人类长久依赖。生物质能源来源广泛、价格低廉、储量丰富，是理想的可再生能源。近年来5-羟甲基糠醛被公认为具有发展潜力和代表性的新型生物质平台化合物，在医药、塑料、橡胶等领域有重要应用。

在5-羟甲基糠醛的制备中，催化剂的选择是关键。相较于均相催化剂如硫酸、盐酸等，异相催化剂如分子筛、酸性树脂、金属-有机框架、碳材料等具有不易腐蚀设备，分离简便，可循环利用等优点。其中，碳材料催化剂因制备成本低、表面易于修饰、酸性可调控且化学性质稳定而备受关注。文献【ChemSusChem,2012,5,2215-2220】报道了以纤维素为原料制备无定形碳催化剂的方法，在离子液体中使用这种材料催化果糖脱水，得到的5-羟甲基糠醛收率为83％，这一数值有待提高。文献【Catalysis Today,2016,264,123-130】报道了一种磺化碳微球的制备方法，在160℃的二甲基亚砜溶剂中使用该催化剂，果糖脱水获得的5-羟甲基糠醛收率为90％，但是该反应的温度过高。

尽管上述碳材料在制备5-羟甲基糠醛的反应中表现了一定的活性，但我们仍需设计合成结构独特、性能优异的新型碳材料，进一步提高碳材料的催化活性和循环稳定性，以期在更加温和的反应条件下获得更高的5-羟甲基糠醛收率。

发明内容

本发明提供了一种新型碳材料，称为磺化碳量子点，该量子点的粒径大小为1.5-4.5nm，具有包含sp²和sp³碳的类石墨烯结构，表面修饰着羟基、羧基和磺酸基。有别于传统的碳材料容易聚沉，本发明提供的碳材料因具有纳米尺寸且含氧官能团丰富能够良好地分散在极性溶剂中。

本发明还提供了一种制备该磺化碳量子点的制备方法，首先以生物质为原料通过过氧化氢辅助的水热法制备碳量子点分散液，去除杂质、溶剂后冷冻干燥，得到固体样品；然后将该固体样品进行磺化处理，得到磺化碳量子点。

过氧化氢辅助的水热法制备碳量子点分散液是指生物质通过水热处理制得碳量子点分散液的过程中包含过氧化氢。作为一种实现方式，将生物质浸渍于过氧化氢溶液中，水热处理制得碳量子点分散液。

作为优选，在水热处理过程中，过氧化氢的浓度为1～8wt％。

作为优选，在水热处理过程中，生物质与过氧化氢的质量比为5：1～1：5，优选为3：1～1：3。

作为优选，水热处理温度为120～200℃，最优选为180℃。

作为优选，水热处理时间为6～12h，最优选为12h。

作为一种实现方式，将该固体样品溶于浓硫酸进行磺化处理，得到磺化碳量子点。作为优选，浓硫酸指质量分数大于或等于70％的硫酸溶液，作为进一步优选，浓硫酸质量分数为75％～99％，最优选为98％。

作为优选，磺化处理温度为100～160℃，最优选为140℃。

作为优选，磺化处理时间为1h～12h，最优选为6h。

所述的生物质不限，包括葡萄糖，淀粉，树皮、树叶等，优选为香樟树叶。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：