[发明专利]一种负载单原子铁的氮掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种负载单原子铁的氮掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和应用，负载单原子铁的氮掺杂多孔碳催化剂，由掺氮多孔碳和单原子铁组成，所述单原子铁分布在所述掺氮多孔碳表面和内部。本发明解决了金属催化剂在使用过程中的金属浸出问题，还极大地提高了多孔碳载体的比表面积实现了大量Fe‑N₄位点的负载。

技术领域

本发明涉及单原子催化剂的技术领域，更具体地，涉及一种负载单原子铁的氮掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

亚胺是一种具有高反应活性的氮基化合物，在杂环化合物和药物的生产中有重要的作用。其传统制备方法利用胺和羰基化合物的缩合反应，然而这一方法涉及到路易斯酸、脱水剂和化学性质极不稳定的醛类的使用，很大程度上限制该方法的实际使用。近几年为了克服上述问题，胺类的氧化偶联反应逐渐成了新的亚胺制备方法。研究发现多种贵金属、过渡金属和碳材料对胺类的氧化偶联反应具有催化活性。但是，这些催化剂大多数存在原子利用率低、金属浸出严重、成本昂贵、分离和回收困难、制备方法繁琐和反应条件苛刻等问题，严重限制了其实际应用。

对于高负载量的金属催化剂，在催化反应过程中只有极少数金属活性组分起催化作用。相比较而言，作为非均相催化剂和均相催化剂的桥梁，单原子催化剂的每个金属原子都可以作为活性位点催化化学反应，具有最大化的原子利用率和优异的催化性能。因此为了最大程度上发挥金属的催化作用并降低制备成本，单原子金属催化剂受到了研究者们越来越多的关注。

因此，现有技术中亟需一种能够提高催化活性和原子利用率的技术方案。

发明内容

本发明提供了一种负载单原子铁的氮掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和应用。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案。

一种负载单原子铁的氮掺杂多孔碳催化剂，由掺氮多孔碳和单原子铁组成，所述单原子铁分布在所述掺氮多孔碳表面和内部。

含有1.03-1.51wt％的单原子铁。

一种负载单原子铁的氮掺杂多孔碳催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、将氧化镁粉末在氮气中以10℃每分钟升温速率至45℃，然后煅烧1h，得到多孔氧化镁模板；

S2、将9.7g1-丁基-3-甲基咪唑溴化物和24.7g六水合三氯化铁溶解于100mL无水乙醇中,在室温下经过12h的搅拌后，通过旋蒸除去无水乙醇并在80℃下干燥12h得到前驱体溶液；

S3、将前驱体溶液置于管式炉中，并在氮气保护下以5℃/min升温速率加热至750℃，然后煅烧1h，得到包含铁物质和单原子铁催化剂的复合材料；

S4、将复合材料至于浓盐酸中搅拌12h，过滤得到固体，再干燥12h，得到负载单原子铁的氮掺杂多孔碳催化剂。

步骤S2还包括，在前驱体溶液中加入0.5-2g多孔氧化镁，并将前驱体溶液在常温下搅拌12h。

一种采用负载单原子铁的氮掺杂多孔碳催化剂来催化胺类化合物的选择性氧化反应的方法，包括以下步骤：

D1、将负载单原子铁的氮掺杂多孔碳催化剂与胺类化合物在溶剂中混合均匀；其中，所述负载单原子铁的氮掺杂多孔碳催化剂与所述胺类化合物的质量比为1:6.7–13.4，所述负载单原子铁的氮掺杂多孔碳催化剂与溶剂的质量比为(0.0046–0.009):1；

D2、氧气或空气气氛下在加热搅拌的条件下，进行胺类的选择性氧化反应。

所述溶剂为对二甲苯或乙腈。

反应温度为80℃至120℃，反应时间为4小时。