[发明专利]杂原子掺杂的生物质基碳材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种杂原子掺杂的生物质基碳材料、制备方法及应用。该碳材料以廉价易得的萝卜为原料，通过杂原子掺杂和高温焙烧后制备得到，不含金属组分；所制碳材料作为非金属催化剂，可用于常规需使用金属催化剂的反应中，特别是用于苯乙烯的催化氧化、乙苯的催化氧化以及硝基芳烃化合物的催化加氢反应中。本发明的杂原子掺杂的生物质基碳材料催化活性高，对环境友好，制备成本低，稳定性好，可循环使用，具有良好的工业应用前景。

技术领域

本发明涉及一种催化剂、制备方法及应用。更具体地，涉及一种杂原子掺杂的生物质基碳材料、制备方法及应用。

背景技术

化学工业是世界上最重要的行业之一，其中绝大部分的化工过程均需使用催化剂。随着经济的快速发展和人类生活品质的不断提升，世界范围内对于化工产品的需求量越来越大，导致催化剂的需求量也随着不断增大。大多数化工过程使用的是金属基催化剂，包括金属、金属氧化物、金属合金等等。金属基催化剂，特别是贵金属，虽然一般具有良好的催化反应性能，但存在储量小、价格昂贵、无法大规模应用等限制。与金属催化剂相比，非金属催化剂有许多优点，如种类丰富、价廉易得、环境友好等，具有巨大的潜力。近年来，人们一直致力于减少金属特别是贵金属的用量，以降低催化剂的成本，在这种趋势下，非金属催化剂得到了得到了广泛的开发和应用。如在中国专利ZL201410259748中公开了一种室温高效催化氧化脱硫的无金属催化剂的制备方法，其反应操作简便，成本低廉，催化脱硫活性强、选择性高、易再生，且催化产物可回收利用，具有良好的经济效益和工业应用前景。

苯乙烯和乙苯的选择性氧化过程是有机化学工业中的重要反应过程，通常是在金属催化剂以及空气、氧气、双氧水以及有机过氧化物等氧化剂的作用下，发生催化氧化反应，其氧化产物如醛、酮、酸以及环氧化合物等均是重要的化工产品，广泛应用于石油化工、医药中间体、印染工业、橡胶工业、合成香料等行业。例如，环氧苯乙烷可用作乙烯基苯二醇及其衍生物生产的中间体及环氧树脂稀释剂；苯乙酮可用作有机化学合成的中间体、纤维树脂等的溶剂和塑料的增塑剂；苯甲醛是一种重要的化工原料，可用作医药、染料和香料的中间体；苯乙醛是花香型香精合成的重要原料，也是农业化学品、人造甜味剂的原料之一。

硝基芳烃化合物的催化加氢还原反应是一类重要的催化反应过程。硝基芳烃化合物是工业废水中最常见的污染物之一，但其加氢产物芳香胺类化合物广泛应用于医药、农药、染料、表面活性剂、添加剂、阻燃剂、光学材料等的生成。例如，对氨基苯酚是一种重要的医药和化工中间体，在医药方面主要用于扑热息痛、安妥明等药品生产，染料行业中主要用于偶氮染料、硫化染料和毛皮染料等生产；苯胺可用于制备染料、药物、树脂、橡胶硫化促进剂等。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种杂原子掺杂的生物质基碳材料及其制备方法，该碳材料以廉价易得的萝卜作为生物质原料，通过杂原子掺杂和高温焙烧后制备得到，不含金属组分。

本发明的另一个目的在于提供一种杂原子掺杂的生物质基碳材料在苯乙烯的催化氧化、乙苯的催化氧化以及硝基芳烃化合物的催化加氢反应中的应用。

为实现上述第一个目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的杂原子掺杂的生物质基碳材料及其制备方法，以价廉易得的萝卜为原料，通过杂原子掺杂和高温焙烧后制备得到，不含金属组分，具体方法是：将新鲜的萝卜洗净切碎，在120℃下烘干，研磨过筛（60目）备用；之后将一定质量比的萝卜干粉和活化剂以及杂原子源以球磨法研磨混合均匀，再于管式炉中在氮气气氛保护下程序升温至700~1100℃焙烧1~4 h，冷却至室温；所得样品经稀盐酸酸洗和去离子水水洗后，置于烘箱中，100℃烘干24 h，得到杂原子掺杂的生物质基碳材料。

进一步的，掺杂的杂原子为氮、硫、磷、碘、硼、硅、氟等原子中的一种或多种。

进一步的，杂原子源为尿素或硫脲。

进一步的，采用的活化剂为氢氧化钾、碳酸钾、氯化锌中任意一种。