[发明专利]一种氮掺杂介孔空心碳球负载金属基纳米催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂介孔空心碳球负载金属基纳米催化剂及其制备方法。该催化剂是通过不同方法制备而得，其表达式是M@NHCS，其中NHCS为氮掺杂介孔空心碳球，M为金属镍，铜，钴，铁，钌，铂，钯，铱，铑和金中的任意一种。本发明中使用中空碳球作为一种稳定的载体，可以负载上金属实现功能化作用。将金属负载在碳球的表面，不仅使金属粒子不易团聚，还可以提供更多的活性位点。此外，中空碳球还具有可调整的孔道结构及易于修饰的表面，宏观尺寸和壳层厚度也可以通过合成方法来调节，这些特点使中空碳球材料有着巨大的性能潜力。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种氮掺杂介孔空心碳球负载金属基纳米催化剂及其制备方法。

背景技术

随着化石资源的日益枯竭，人类迫切需要找到化石能源的替代能源，可持续生物质资源转换为燃料和化学品是解决该问题的有效途径。木质素是生产芳香族化合物的唯一可再生资源，其结构由高度功能化的芳香环组成，芳香环由碳氧键和碳碳键组成的单位间键结合在一起，但是其高氧和不饱和程度使未精炼生物燃料的能量密度低，热稳定性和化学稳定性低，限制了其在现代柴油机中的直接燃烧。加氢脱氧方法能将碳氧键被打破，明显地降低了原油生物燃料的氧含量，因此它是生物燃料升级的最好的选择。香草醛(4-羟基-3-甲氧基苯甲醛)，它是一种酚醛，同时含有羟基和甲氧基(分别是对基和间基)，是生物油的重要组成部分，其加氢脱氧产物2-甲氧基-4-甲基酚在香料、医药及其他有机合成中间体中有重要作用，也是一种潜在的生物燃料，因此，开发绿色高效的催化剂用于香草醛选择性加氢脱氧制备2-甲氧基-4-甲基苯酚体系对环境保护和寻找有限原油的替代能源具有重要意义。

碳材料由于具有比表面积大，孔容大，导电性好，热稳定性、化学稳定性和机械稳定性好，成本低，利于大规模生产等特点，被广泛用作催化剂的载体材料。在众多的碳基催化材料中，活性炭负载金属型催化剂是化学工业中研究最多、应用最广的催化剂。但活性炭仍存在过多的封闭孔洞结构限制了催化过程中的反应传质；活性位锚定位点的不足导致金属颗粒在载体碳表面分散不均匀，使用过程中容易发生团聚和浸出等缺点。近年来研究发现，越来越多的新型碳基催化材料被人们开发出来例如Au/碳纳米管、Ru纳米团块、Ru/碳纳米管、Pd/单壁碳纳米管-SiO₂、和Pd/MSMF(MSMF:超亲水介孔磺化三聚胺-甲醛树脂)等。然而，在构建这些高活性催化剂时，繁琐的合成策略或复杂的载体往往是不可避免的，而且在合成金属纳米颗粒负载型催化剂的过程中常常伴随着纳米颗粒的团聚长大和流失，这些现象使得催化剂的活性严重下降，甚至最终失活。在现如今热门的多相催化反应中，负载金属纳米催化剂的性能尤为突出。中空碳球是一种由碳组成的空心核壳结构，一般指的是微米、纳米尺寸的空心结构碳球。由于中空结构具有比表面积大、密度小、结构稳定等特点，在催化领域金属纳米粒子具有优秀的催化活性，但同时由于表面能较高，削弱其催化性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种氮掺杂介孔空心碳球负载金属基纳米催化剂及其制备方法，以解决现有技术金属纳米粒子为催化剂时，表面能较高，催化性能不佳的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种氮掺杂介孔空心碳球负载金属基纳米催化剂，包括载体和活性组分，所述活性组分在附着在载体上；所述载体为氮掺杂介孔空心碳，所述活性组分为金属镍、铜、钴、铁、钌、铂、钯、铱、铑和金中的任意一种；

以质量分数计，所述活性组分在催化剂中的质量含量为0.5-10wt％。

一种氮掺杂介孔空心碳球负载金属基纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在水和乙醇反应介质中，加入正硅酸四乙酯，采用溶胶-凝胶法搅拌制得纳米二氧化硅小球；

步骤2，将纳米二氧化硅小球置于三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中，超声波处理后，再加入盐酸多巴胺和金属源，进行聚合反应，将反应产物进行洗涤干燥后得到前驱体；