[发明专利]一种催化氧化甲苯合成苯甲醛的催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种催化氧化甲苯合成苯甲醛的催化剂的制备方法，包括如下步骤：(1)将三聚氰胺和尿素溶于水中，采用水热法、超声冷却处理得到前驱体；(2)高温锻烧所述前驱体得到超薄N掺杂纳米片多孔的石墨相氮化碳材料；(3)将步骤(2)得到的石墨相氮化碳以浸渍法负载过渡金属氧化物，即得到所述催化剂。本发明制备的超薄N掺杂纳米片多孔的石墨相氮化碳负载过渡金属氧化物催化剂，通过超声辅助水热处理，一方面抑制了纳米片的团聚，使纳米片均匀的分布，从而显著增加了比表面积，另一方面，N掺杂产生了更多的氮空位，为选择性催化氧化提供更多的反应活性位点。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，尤其是一种催化氧化甲苯合成苯甲醛的催化剂及其制备方法。

背景技术

芳香族碳氢化合物的选择性官能化是行业的重要任务，然而，C-H键的裂解与氧化需要高温、高压和高效催化剂，仍然是一个巨大挑战。甲苯是一种芳香化合物，可以被氧化成苄醇，苯甲醛和苯甲酸苄酯等。其中，苯甲醛是最简单和最重要的产物，广泛应用于食品，制药，香料和农药行业。然而，苯甲醛易于氧化成苯甲酸。苯甲醛传统的生产路线为甲苯氯化水解法，然而，这个过程不可避免地残留有氯离子，不易去除，且产生大量废水，导致环境污染和设备腐蚀。更糟的是苯甲醛通过这条路线产生的不能用来合成一定的高品质化合物，如药物或香料等。因此，寻找绿色的苯甲醛合成路线和开发用于甲苯对苯甲醛的高选择性氧化的高效催化剂显得十分重要。

绝大多数催化剂载体是无机的。有机载体优于其无机材料，因为它们耐受各种官能团，并且可以容易官能化以适应不同的催化活性物质。近年来有机催化剂载体受到重视。g-C₃N₄是一种有机半导体，在过去十年中已被广泛用作无金属催化剂或催化剂载体。这种材料的热和氧化稳定性是有机材料中最高的之一。即使在空气中，升华或热解只能在600℃以上发生。另外，g-C₃N₄是富含氮的材料。它由通过三角氮原子连接的三嗪环单元组成。在g-C₃N₄材料母体结构和类石墨边缘存在丰富的N物种，为金属或金属纳米粒子提供了丰富的锚定位点。由于这一结构特点，g-C₃N₄材料可作为催化剂载体高度分散金属或金属氧化物。

作为一种非金属固体材料，g-C₃N₄在材料、催化、电子和光学等领域不断展示其潜在的应用前景。提高比表面，丰富孔道结构，以合成具有介孔结构的g-C₃N₄有利于暴露更多的表面活性组分，继而增强其参与化学反应的活性。目前合成介孔g-C₃N₄有硬模板法、软模板法、无模板法三种方法，各有各的优、缺点。无模板法迎合了“绿色化学”的发展要求，将成为介孔或多孔g-C₃N₄合成研究工作中的新趋势。但无模板法制备介孔g-C₃N₄比表面积无法大幅提升，这严重限制了其在选择性催化氧化领域的应用。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种可显著提高比表面积的催化氧化甲苯合成苯甲醛的催化剂，从而显著提升其催化氧化甲苯合成苯甲醛的效率。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括两个方面：

在第一方面，本发明提供了一种催化氧化甲苯合成苯甲醛的催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将三聚氰胺和尿素溶于水中，采用水热法、超声冷却处理得到前驱体；

(2)高温锻烧所述前驱体得到超薄N掺杂纳米片多孔的石墨相氮化碳材料；

(3)将步骤(2)得到的石墨相氮化碳以浸渍法负载过渡金属氧化物，即得到所述催化剂。

优选地，所述制备方法包括如下步骤：