[发明专利]一种氮硅共掺杂碳基铁催化剂及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种氮硅共掺杂碳基铁催化剂在催化合成吡咯及其衍生物中的应用，其特征在于，该氮硅共掺杂碳基铁催化剂以氮、硅共掺杂的碳材料为载体，该载体上负载有铁元素，该铁元素以铁单原子、硅酸铁和零价铁的形式同时存在。

2.根据权利要求1所述的氮硅共掺杂碳基铁催化剂在催化合成吡咯及其衍生物中的应用，其特征在于，所述应用包括：使硝基芳烃、2，5-己二酮、有机碱、甲酸在所述氮硅共掺杂碳基铁催化剂存在下，发生催化反应，生成吡咯及其衍生物。

3.根据权利要求2所述的氮硅共掺杂碳基铁催化剂在催化合成吡咯及其衍生物中的应用，其特征在于，所述硝基芳烃具有式(I)所示结构：式(I)中，R₁为H、F、Cl、Br、I、C_1-6烷基、卤代的C_1-6烷基、氰基、硝基、C_1-6烷氧基、R₂、R₃独立地为苯基、C_1-6烷基、卤代的C_1-6烷基，n为0、1、2、3或4；

或R₁与其连接的苯环构成共用2个碳的稠环，该稠环为所述吡咯及其衍生物具有如下式(II)所示结构：式(II)中，R₁和n同式(I)中的定义。

4.根据权利要求2所述的氮硅共掺杂碳基铁催化剂在催化合成吡咯及其衍生物中的应用，其特征在于，所述硝基芳烃为选自如下化合物中的一种或多种的组合：

5.根据权利要求2所述的氮硅共掺杂碳基铁催化剂在催化合成吡咯及其衍生物中的应用，其特征在于，所述硝基芳烃、所述2，5-己二酮、所述有机碱、所述甲酸的投料摩尔比为1∶10～20∶1-3∶3-7；以所述硝基芳烃的投料摩尔量为基准，每添加1毫摩尔所述硝基芳烃投加60-100mg所述氮硅共掺杂碳基铁催化剂；和/或，所述有机碱为选自1，8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯、三乙胺、吡啶、吗啡啉中的一种或多种的组合；和/或，所述催化反应在90-1I0℃下进行；和/或，所述催化反应的反应时间为20-30h。

6.根据权利要求1所述的氮硅共掺杂碳基铁催化剂在催化合成吡咯及其衍生物中的应用，其特征在于，所述氮硅共掺杂碳基铁催化剂的制备方法包括：将2-甲基咪唑、苯胺、水溶性铁盐和硝酸锌在水中形成混合溶液，加入硅酸四乙酯，混匀，离心分离，得固体，水洗，干燥，然后在保护气氛下进行煅烧，所述煅烧在煅烧温度850-1000℃下进行。

7.根据权利要求6所述的氮硅共掺杂碳基铁催化剂在催化合成吡咯及其衍生物中的应用，其特征在于，制备所述氮硅共掺杂碳基铁催化剂的实施方式包括：

(1)将2-甲基咪唑和苯胺在水中混合成溶液A；

(2)将水溶性铁盐和硝酸锌在水中混合成溶液B；

(3)将步骤(2)所获得的溶液B加入步骤(1)获得的溶液A中，加入硅酸四乙酯后搅拌，离心，得固体，水洗，干燥；

(4)将步骤(3)所获得的固体在保护气氛下升温热解，制成所述氮硅共掺杂碳基铁催化剂。

8.根据权利要求6或7所述的氮硅共掺杂碳基铁催化剂在催化合成吡咯及其衍生物中的应用，其特征在于，所述2-甲基咪唑、所述苯胺、所述水溶性铁盐、所述硝酸锌、所述硅酸四乙酯的投料摩尔比为15-17∶15-17∶0.1-0.3∶3-5∶3-6；和/或，控制所述煅烧的过程中，从室温升温至煅烧温度的升温速率为4-6℃/min；和/或，控制所述煅烧的煅烧时间为1-3h；和/或，所述水溶性铁盐为硫酸亚铁、氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁和乙酰丙酮铁中的一种或多种的组合。

9.一种氮硅共掺杂碳基铁催化剂，其特征在于，该氮硅共掺杂碳基铁催化剂以氮、硅共掺杂的碳材料为载体，该载体上负载有铁元素，该铁元素以铁单原子、硅酸铁和零价铁的形式同时存在。

10.一种权利要求9所述的氮硅共掺杂碳基铁催化剂的制备方法，其特征在于，所述氮硅共掺杂碳基铁催化剂的制备方法包括：

(1)将2-甲基咪唑和苯胺在水中混合成溶液A；

(2)将水溶性铁盐和硝酸锌在水中混合成溶液B；

(3)将步骤(2)所获得的溶液B加入步骤(1)获得的溶液A中，加入硅酸四乙酯后搅拌，获得固体；

(4)将步骤(3)所获得的固体在保护气氛下升温热解，制成所述氮硅共掺杂碳基铁催化剂；

所述煅烧在煅烧温度850-1000℃下进行，所述2-甲基咪唑、所述苯胺、所述水溶性铁盐、所述硝酸锌、所述硅酸四乙酯的投料摩尔比为15-17∶15-17∶0.1-0.3∶3-5∶3-6。