[发明专利]一种组装体型催化填料及其制备方法和在流动化学催化系统中的应用

说明书

本发明公开了一种组装体型催化填料，以氧化石墨烯和纤维材料为主要组装原料、水溶性小分子有机物为润湿剂、氨水为氮源、过氧化氢为造孔剂，经过一步水热法制备具有多级多孔结构的复合水凝胶组装体催化剂。本发明所得组装体型催化填料无需借助传统引入活性金属等改性手段，可表现出优异的催化反应效率，同时具有良好的机械性能和循环稳定性，可为高性能流动化学系统催化剂的制备提供一条新思路；且涉及的制备方法简单，原料易得，对设备要求低，条件温和，生产成本低，适合推广应用。

技术领域

本发明属于催化技术领域，具体涉及一种组装体型催化填料及其制备方法和在流动化学催化系统中的应用。

背景技术

流动化学系统(如，固定床催化)是通过将催化剂固定在特定的流通位置，让反应混合物料连续流经催化剂来实现连续反应的流动催化。以填充型催化剂构建的流动化学催化系统具有产品易分离、操作简单等优势，是理想的工业化生产系统。作为流动化学催化系统的核心，催化填料的活性与其暴露活性位点的数量、微纳结构和组分间的协同作用密切相关。然而，常规的颗粒状催化剂因其堆积状态紧密，导致不易暴露出活性位点并且间隙小流动阻力大，不利于传质，限制了流动化学催化系统的催化活性和流通量。

近年来，新型流动化学催化剂的设计、制备和系统构建有一些新的探索。陈等将纳米金线垂直生长在玻璃纤维上制备高性能催化纤维；将其填充于柱管中构建对硝基苯酚(4-NP)催化还原的固定床系统，其流速可达32mL/min(Strategy for nano-catalysis ina fixed-bed system.Advanced Materials,2014,26,4151-4155)。王等将以聚多巴胺功能化的棉纤维为基底负载钯纳米粒子制备高性能的新型催化纤维；将其装载于柱管中构建4-NP催化还原固定床系统，流速可提升至60mL/min(Mussel-inspired functionalizationof cotton for nano-catalyst support and its application in a fixed-bed systemwith high performance.Scientific Reports,2016,6,1-8)。王等制备锚定在N掺杂碳(NC)功能化纤维状硅酸铝纤维(ASFs)上的双金属Pd-Fe合金纳米颗粒催化剂，并构建了可用于有机染料催化还原的高性能固定床催化系统，流速可提升至200mL/min[Continuousflow reduction of organic dyes over Pd-Fe alloy based fibrous catalyst in afixed-bed system.Chemical Engineering Science,2021,231,116303.]。然而，上述催化填料均主要利用活性金属来催化反应的发生，但引入的纳米金属容易团聚，易使催化剂的有效表面积下降，从而导致催化性能下降，且金属尤其是贵金属的使用面临着环保和成本的压力。产业上迫切需要进一步探索活性高、循环稳定性好并可实现连续反应的无金属活性成分催化填料，并将其用于构建流动化学催化系统。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题和不足，提供一种组装体型催化填料，采用简易的方法仅通过一步水热法制备组装体催化剂并利用其构建流动化学催化系统；涉及的合成工艺简单、操作便捷、反应材料廉价、流通阻力小、催化性能强、使用过后处理简单，能有效降低催化剂的使用成本和后处理成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种组装体型催化填料的制备方法，包括如下步骤：在搅拌条件下，向氧化石墨烯分散液加入纤维材料、润湿剂、双氧水溶液和液态氮源，混合均匀，进行水热反应，冷却，形成组装水凝胶，即得所述组装体型催化填料。

上述方案中，所述纤维材料的直径为100nm-100μm，长径比为10-1000；可选用纤维素纤维、硅酸铝纤维、玻璃纤维、石英棉纤维、碳纤维和合成纤维等中的一种或几种。

上述方案中，所述润湿剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丙酮等中的一种或几种。