[发明专利]一种超薄镍钒层状双氢氧化物纳米片的制备及其电催化苯酚羟基化性能

说明书

本发明公开了一种超薄镍钒层状双氢氧化物纳米片的制备及其电催化苯酚羟基化性能。本发明先采用一步共沉淀法合成超薄镍钒层状双氢氧化物纳米片，其金属离子镍和钒的摩尔比为3:1，平均厚度是4～5nm；再将超薄镍钒层状双氢氧化物纳米片用于电催化苯酚羟基化反应，在起始电压为0.5V、反应温度为40oC，反应时间为9h的条件下，苯酚转化率达72.19％，对苯二酚的选择性和产率分别为63.27％和45.68％。本发明将具有丰富变价和良好导电性能的钒和镍元素引入纳米片主体层板中，利用镍和钒的相互协同作用以及纳米片的超薄结构提高本征催化活性，在无需添加额外氧化剂的条件下，实现苯酚羟基化的高效转化。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，特别涉及一种超薄镍钒层状双氢氧化物纳米片的制备及其电催化苯酚羟基化性能。

技术背景

苯二酚是一类重要的有机化工中间体，可作为香料、染料、药物和橡胶等精细化学品的重要生产原料、助剂和中间体。苯胺氧化法和对二异丙苯氧化法是早期工业制备苯二酚的主要方法，工艺成熟，产率较高。但这些传统的合成路线存在反应步骤多、工艺流程复杂、生产效率低、副产物多且难分离、设备腐蚀严重等问题，不符合可持续发展的要求。开发一种绿色、简单、高效的一步制备苯二酚工业化生产技术十分必要。

以过氧化氢(H₂O₂)为氧化剂的苯酚羟基化制苯二酚工艺因其流程短，反应条件温和、副产物种类少等优势，受到研究者的广泛关注。但该工艺使用的催化剂主要集中在铁基、铜基、分子筛及金属氧化物等催化剂，面临着铁和铜基催化剂在反应过程中活性铁和铜物种易流失，重复性差；分子筛催化剂难以控制活性组分含量且其催化活性和稳定性受限于孔径尺寸的调控；多数金属氧化物催化剂面临反应选择性低等问题。此外，H₂O₂作为氧化剂，其来源复杂，需要经多步合成。进一步地，该工艺是在热催化条件下进行，通常需要使用化石燃料提供能量，导致大量能源消耗和温室气体排放。因此，开发新型催化体系，利用H₂O作为氧化剂，实现绿色、高效的苯酚羟基化制备苯二酚仍然是相关领域亟需解决的关键问题之一。

光催化和电催化技术由于绿色、高效、可深度活化化学键的优势，在苯酚羟基化反应中展现了优异的催化活性。由于使用H₂O₂作氧化剂、光能利用效率有待提高、直接利用太阳光仍具有挑战性等特点，光催化苯酚羟基化制苯二酚在工业上的应用尚未成熟。相比于光催化，电催化苯酚羟基化由H₂O直接提供氧源，以“电子”参与反应，可实现C-H键的直接羟基化，并可通过控制电催化条件实现不同产物的选择性，是一种绿色可持续且更具有原子经济性的转化途径。电催化苯酚羟基化的核心是电催化材料，起到提高催化效率和降低能耗的作用。目前电催化苯酚羟基化的催化材料主要集中在RuO₂、IrO₂、 SnO₂、PbO₂等贵(重)金属氧化物，通常会引起苯酚过度氧化发生降解，并且此类催化剂往往受限于贵金属高昂的成本和自然稀缺性、重金属氧化物毒性等问题而难以实现工业化应用。因此，发展一类非贵(重)金属电催化材料，实现电催化苯酚羟基化制苯二酚的高效转化十分重要。

层状双氢氧化物(LDHs)是一类典型的二维层状材料，具有独特的结构和组成特点，可使其通过有效控制主体层板元素组成和比例、层板厚度以及粒径大小等，实现电子、缺陷、表界面等结构的优化调控，从而大幅提升电催化苯酚羟基化活性、选择性和稳定性。本发明将具有丰富变价与导电性能优异的钒和镍元素引入超薄层状双氢氧化物纳米片的主体层板中，利用镍和钒的相互协同作用提高纳米片电催化苯酚羟基化的催化活性。

发明内容

本发明提供一种超薄镍钒层状双氢氧化物纳米片的制备及其电催化苯酚羟基化性能。