[发明专利]一种碱性高分散负载型Pt基纳米催化剂及其制备和应用

说明书

本发明提供了一种碱性高分散负载型Pt基纳米催化剂及其制备和应用，该催化剂表示为Pt/MO‑CN，其中MO为CeO₂、ZrO₂、ZnO、NiO中的一种，Pt的质量百分含量为1～5％；Pt的粒径大小为2～4nm；CN与MO的质量比为0.2～1.2。该方法以金属硝酸盐为原料，以NaBH₄为沉淀剂，同时引入三聚氰胺，得到金属氧化物/三聚氰胺前体，经焙烧处理得到高比表面积富含碱性位的MO‑CN载体，利用NaBH₄通过液相还原法将贵金属Pt高度均匀分散在MO‑CN载体表面，得到Pt/MO‑CN。该催化剂在不引入外加碱液，较低的O₂压力及较低反应温度下可实现快速高效选择性催化氧化5‑羟甲基糠醛制备2，5‑呋喃二甲酸，转化率和选择性分别高达92～98％和89～99％，具有较大的应用价值与前景。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，涉及一种碱性高分散负载型Pt基纳米催化剂及其制备方法，适用于在无外加碱液环境下5-羟甲基糠醛选择性催化氧化制备2,5-呋喃二甲酸。

技术背景

能源短缺和环境危机是制约当今世界经济和社会发展的两大主要问题。能源的过度消耗使得资源的稀缺性暴露无遗，供需矛盾日益突出，因此世界各国均采取各种途径和措施来提高能源的利用率，并积极寻求能源利用的新出路。与化石能源相比，生物质能源以其可再生、资源丰富、价格便宜、生态环境友好等特性而逐渐成为一种重要的替代能源。美国能源部针对目前石油基的30多种化学品，筛选出十二种认为最可能实现石油基替代的生物质平台化合物。2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是十二种平台化合物中唯一一个具有刚性平面结构的生物质基芳环单体，可用于替代部分石油基的化合物，FDCA可作为氧化前体制备己二酸并应用于尼龙材料的制备生产，可与二醇、二胺等单体进行聚合制备性能优异的新型生物质基高分子合成材料，还可被广泛应用于制药、有机合成以及金属有机骨架材料的合成等领域，在全球的用量极大，因而具有极高的科研价值和实际应用价值。关于FDCA的制备、下游产品的开发，以及与之相关联的催化材料的开发应用越来越受到科研工作者的关注。

目前FDCA主要通过以下三种途径获得：1)以5-羟甲基糠醛(HMF)为原料，将HMF的醛基和羟甲基通过化学或生物法氧化得到FDCA；2)以呋喃为原料，通过乙酰化反应得到2,5-二乙酰基呋喃(2,5-DAF)，再通过碘仿反应得到FDCA；3)以糠酸为原料，在高温高压的碱性环境中进行歧化反应得到FDCA。目前以HMF为原料制备FDCA的路线被认为是最具有规模化潜质的合成路线，因而关于由HMF制备FDCA的报道也最多，通常可在高温、高压、及强碱性环境条件下，利用传统的硝酸或高锰酸盐作为氧化剂氧化HMF制备FDCA。该方法工艺简单，但副产物较多，同时氧化剂的大量使用会对环境造成负面影响。通过引入负载型的贵金属或非贵金属催化剂，可一定程度上降低化学法制备FDCA所需的反应温度和压力，但反应仍需外加液体碱如氢氧化钠、碳酸钠等，因而对生产设备的要求较为苛刻，同时反应副产物较多，成本较高。在文献Angew.Chem.Int.Ed.，2014，53，6515-6518中荷兰科学家DIJKMAN以特定的生物酶作为催化剂，在室温和常压下实现HMF的高效转化制备FDCA，该方法虽然经济环保，但尚在实验室研究阶段。因此如何设计和开发新型高效的催化材料，在避免外加碱液和相对温和的条件下实现HMF的高效转化制备FDCA是目前科研工作者面临的热点和难点。

本发明旨在克服以HMF为原料采用化学法制备FDCA过程中，需要高温、高压，外加碱液的现状，设计和开发一种制备条件温和、选择性好及转化率高的高分散负载型Pt基纳米催化剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种碱性高分散负载型Pt基纳米催化剂及其制备方法，并将其应用于5-羟甲基糠醛(HMF)选择性氧化制备2,5-呋喃二甲酸FDCA。