[发明专利]一种掺氮炭催化剂的制备方法及其在生物油加氢中的应用

说明书

本发明公开了一种掺氮炭催化剂的制备方法及其在生物油加氢中的应用，负载活性金属的掺氮炭催化剂的制备过程如下：将生物质废弃物粉碎干燥，与绿色活化剂、尿素均匀混合后，在惰性气氛下进行热解活化掺氮反应，生物质与绿色活化剂及尿素的协同作用下，形成发达孔结构并具有丰富活性官能团的掺氮炭材料，并利用掺氮炭的发达孔隙及活性含氮官能团分别捕捉并锚定活性金属，形成稳定的配位键，从而得到负载高度分散的活性金属掺氮炭催化剂，将其应用于生物油衍生物的催化加氢转化过程中，可以得到高选择性的环己酮阁，从而实现了生物质简单高效地制备高值掺氮炭催化剂及其高效高质催化加氢转化生物油。

技术领域

本发明涉及生物质利用领域，具体涉及一种掺氮炭催化剂的制备方法及其在生物油加氢中的应用。

背景技术

生物质是唯一可再生碳源，将其转化为高附加的燃料和化学品是目前的重要研究热点，但生物质直接热解得到的生物油组分复杂，有百上千有机化合物，很难直接高值化利用。生物油催化加氢转化可以得到大量高值的化工原料，同时生物油催化加氢通常需要多相催化剂，常用的为贵金属催化剂。但是贵金属催化剂很容易发生团聚现象，从而降低其催化活性，因此通常需要将贵金属催化剂负载在比表面积较高的多孔材料上。其中多孔炭材料是一个很好的选择，它具有发达的孔隙结构，能够为贵金属催化转化生物油提供反应界面。但是多孔炭材料表面活性组分较少，很难负载大量的活性贵金属，且贵金属在炭材料表面的分散度难以控制，致使其催化活性比较低，常需要与酸、碱等助催化剂共同作用，但反应过程中易产生三废污染物，不利于环境保护。

将电负性较强的氮元素引入炭材料中，可以得到掺氮炭材料。掺氮炭材料表面具有丰富的活性含氮官能团，如吡啶-N、吡咯-N、季-N等，即碱性位点，它们作为潜在的活性位点，能够和活性金属相结合，增强金属在掺氮炭材料表面的结合能力，从而有利于将活性金属分散地负载于掺氮炭表面。

但是目前的研究主要是通过含氮模化物来制备掺氮炭材料，原料成本较高，且活性金属在掺氮炭材料表面的负载量、分散程度、及稳定性还难以精确控制，生物质基掺氮炭催化剂在生物油加氢转化中的应用还较少。

因此亟需寻找一种原料来源广泛、成本低廉、操作简单、绿色环保，活性金属负载量、分散度、稳定性可控的制备负载活性金属的掺氮炭催化剂的方法，以满足国内对功能型掺氮炭催化剂的需求。

发明内容

针对以上缺陷和改进需求，本发明旨在提出一种掺氮炭催化剂的制备方法及其在生物油加氢中的应用，利用生物质废弃物，与活化剂和尿素协同反应，形成具有发达孔隙结构的掺氮炭材料，进而利用掺氮炭材料的发达孔结构及含氮官能团，分别捕捉并锚定活性金属，从而得到富含高度分散活性金属的掺氮炭催化剂，并将其应用于生物油衍生物苯酚的加氢转化应用中，得到高值的环己酮。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用生物质制备掺氮炭催化剂的方法，包括如下步骤：

S1：将生物质废弃物粉碎干燥后，与绿色活化剂、尿素通过浸渍的方式充分混合，浸渍24h后，在100℃下蒸发掉其中的水分，得到混合样品；

S2：将步骤S1中的混合样品放入固定床反应器中在惰性气氛下进行快速热解活化掺氮反应，反应温度为500-900℃，反应时间为30-60min，生物质与绿色活化剂和尿素交互作用，得到孔隙率发达且富含氮素的热解炭；

S3：将步骤S2得到的热解炭放入1mol/L的盐酸溶液中浸渍24h，然后用去离子水冲洗至滤液为中性，以除去热解炭中的活化剂，干燥后得到掺氮炭材料；

S4：将步骤S3得到的掺氮炭浸渍到水中，并向其中缓慢滴入金属氯化物溶液，并不断搅拌，促使掺氮炭中的含氮官能团锚定活性金属，形成稳定的配位键，最后在70℃条件下将蒸发掉其中的水分，最终得到负载活性金属的掺氮炭催化剂。