[发明专利]一种碳纳米纤维固体酸催化剂、其制备方法以及在催化反应中的应用

说明书

本发明提供了一种碳纳米纤维固体酸催化剂的制备方法，包括以下步骤：A)将细菌纤维素浸泡在去离子水中进行除酸，得到除酸后的细菌纤维素；B)将除酸后的细菌纤维素浸泡在磷酸二氢铵溶液中，取出后使用液氮进行冷冻，然后再进行冷冻干燥，得到细菌纤维素气凝胶；C)将所述细菌纤维素气凝胶进行高温热解，得到碳纤维气凝胶；D)将所述碳纤维气凝胶与浓硫酸混合，进行磺化反应，得到碳纳米纤维固体酸催化剂。本发明制备的SACs具有纳米纤维网状结构，比表面积高，含有丰富的磺酸盐以及羟基和羧基。本发明还提供了一种碳纳米纤维固体催化剂及其在α‑methylstyrene二聚、油酸酯化、频哪醇重排反应中的应用。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种碳纳米纤维固体酸催化剂、其制备方法以及在催化反应中的应用。

背景技术

酸催化在精细化工合成、炼油、生物质转化等许多工业化学过程中起着至关重要的作用。传统的液态酸催化剂，如H₂SO₄、HCl、H₃PO₄、HF等，具有高效且广泛的应用前景。然而，液态酸性催化剂存在安全、设备腐蚀、催化剂浪费和分离回收困难等问题，严重限制了其实际应用。固体酸催化剂(SACs)作为一种新型的催化剂，为各种化工行业建立环境友好、可持续的催化过程中发挥着重要的作用，近年来一直受到人们的关注。开发适用于不同催化过程的低成本、高效率的SACs具有重要的意义，但至今仍面临着很大的挑战。绿色可持续化学的原理促使均相液体酸催化剂向非均相固体酸催化剂(SACs)转变，SACs具有安全、环保、腐蚀性低、浪费少、易于分离回收等显著特点。但是传统的杂多酸、金属氧化物(如铌酸)、磷酸盐、沸石(如H-Mordenite)、磺化树脂(如Amberlyst-15、nafion)等固体酸的酸位点密度低、稳定性差、成本高，其催化性能有待大幅度提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米纤维固体酸催化剂、其制备方法及在催化反应中的应用，本发明中的碳纳米纤维固体酸催化剂比表面积高、含有丰富的酸位点，具有优异的催化性能、

本发明提供一种碳纳米纤维固体酸催化剂的制备方法，包括以下步骤：

A)将细菌纤维素浸泡在去离子水中进行除酸，得到除酸后的细菌纤维素；

B)将除酸后的细菌纤维素浸泡在磷酸二氢铵溶液中，取出后使用液氮进行冷冻，然后再进行冷冻干燥，得到细菌纤维素气凝胶；

C)将所述细菌纤维素气凝胶进行高温热解，得到碳纤维气凝胶；

D)将所述碳纤维气凝胶与浓硫酸混合，进行磺化反应，得到碳纳米纤维固体酸催化剂。

优选的，在所述去离子水中浸泡的时间为3～7天。

优选的，所述磷酸二氢铵溶液的浓度为10～100mmol/L；

在所述磷酸二氢铵溶液中浸泡的时间为3～7天。

优选的，所述步骤B)中冷冻的时间为20～30min。

优选的，所述冷冻干燥的温度为-80～-40℃；

所述冷冻干燥的时间为3～5天。

优选的，所述高温热解的温度为400～800℃；

所述高温热解的时间为2～4小时。

优选的，通过升温实现所述高温热解的温度；

所述升温的速率为1～10℃/min。

优选的，所述磺化的温度为100～200℃；

所述磺化的时间为12～20小时。

本发明提供一种碳纳米纤维固体酸催化剂，按照权利要求1～8任意一项所述的制备方法制得。