专利名称：一种苯催化氧化合成苯酚的功能化氮化碳光催化剂的制作方法
技术领域：
本发明属于材料制备及有机光合成的技术领域，具体涉及一种苯催化氧化合成苯酚的功能化氮化碳光催化剂及其制备方法和应用。
背景技术：
苯酚是一种重要的有机化工原料，主要用于制造酚醛树脂，双酚A及己内酰胺。其中生产酚醛树脂是最大用途，占苯酚产量一半以上。此外，苯酚也是很多医药(如水杨酸、阿司匹林及磺胺药等)、合成香料、染料(如分散红3B)的原料。同时，有相当数量的苯酚用于生产卤代酚类，并且苯酚的稀水溶液可直接用作防腐剂和消毒剂。近几年，世界苯酚生产能力和需求量持续增长，2005年苯酚市场供求状况十分紧张，2006年全球苯酚市场供应紧张的局面开始趋缓。美国是世界最大的苯酚生产国，紧随其后的是日本。北美，西欧、中东欧和非洲产能均有过剩，亚洲由于总体发展速度高于世界总体发展速度，处于供不应求的状况。最近，我国汽车、电子通讯、建筑业及冶金工业的迅猛发展，使苯酚下游产品需求增加，苯酚需求急剧增长。目前，我国苯酚产量不能满足国内实际生产需求，每年都需要大量进口，而且进口量呈现不断增加的趋势。尽管不断进行扩建和装置改造，但是由于技术本身问题，现有装置生产能力十分有限，2005年苯酚产量仅仅约为44万吨，然而消费量将近73万吨，约有29万吨需要依靠进口 ；2007年国内市场对苯酚需求总量约为85万吨，然而我国苯酚生产能力最多生产85万吨，按装置90%开工率计算，产量约为76.5万吨，因此，我国仍需进口一定数量苯酚才能满足下游消费需求。由此可见生产苯酚具有很高经济潜力。目前，工业上大部分的苯酚生产来自三步异丙苯过程，但其存在着许多不可避免的缺点:1)生产线长、工艺步骤多、原子利用率较低；2)存在遇热、遇酸、遇碱极易爆炸的中间产物(过氧异丙苯)；3)产生与苯酚等物质的量的副产物丙酮是该路线的致命弱点，受到丙酮市场需求的严重制约；4)异丙苯路线需要消耗大量能量回收未反应的苯以及分离提纯苯酚。针对这一不足，光催化氧化技术由于成本低、反应条件温和以及可高效地直接催化氧化苯到苯酚的等优点成为一种理想的有机光合成技术。近年来,石墨相氮化碳(g_C3N4)做为一种非金属环境友好型的光催化剂备受国内外科学家们的广泛关注，它在光解水制氢(Nat.Mater.2009, 8，76)、光降解有机污染物(Adv.Mater.2009，21，1609)和有机光合成(J.Am.Chem.Soc.2010，132，16299)等方面有着广泛的应用。最近我们组合成介孔氮化碳Upg-C3N4)可以通过光诱导催化氧化苯到苯酚(J.Am.Chem.Soc.2009, 131，11658)，而且在最优化制备工艺的条件下，其苯酚的产率达到最大为11.9%。但其也存在许多缺点，例如Fe-g-C3N4/SBA-15活性和稳定性还需要提高。这可能是因为它的活性位有一部分被催化剂包裹，减少活性位与反应物的接触面积，从而降低了活性。并且Fe-g-C3N4与载体SBA-15之间的作用力比较弱，故其稳定性也尚待提高。因此，我们通过把有机活性物种二茂铁甲醛(Fc-CHO)通过表面化学方法嫁接到Hipg-C3N4的表面,实验证明，所合成的表面功能化改性的催化剂在催化氧化苯到苯酹有很闻的活性和较闻的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种苯催化氧化合成苯酚的功能化氮化碳光催化剂及其制备方法和应用，本发明制备的光催化剂具有高比表面积，能够实现苯高效催化氧化合成苯酚。本发明工艺简单，成本低，产率高，符合实际生产需要，有较大的应用潜力。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种苯催化氧化合成苯酚的功能化氮化碳光催化剂的化学式为Fc-CH=N-C3N4,比表面积为10-400 m2/g，非晶态物质，能够有效分离光生载流子。一种制备如上所述的苯催化氧化合成苯酚的功能化氮化碳光催化剂的方法，以热缩聚的产物为主体，通过溶剂回流法制得具有高活性的功能化氮化碳光催化剂。包括以下步骤:
(1)将氰胺溶解在商品硅溶胶(含40wt.%12 nm SiO2)中，氰胺与商品硅溶胶的质量比为1:0 5，加热搅拌直到把水蒸干，得到的白色固体在N2保护下，500 700°C热处理I 10h，将热处理后的粉末加入到NH4HF2溶液中搅拌2天后，过滤、洗涤、烘干，得到黄色粉末，即介孔氮化碳，备用；
(2)将制得的介孔氮化碳高度分散在无水乙醇中，二茂铁甲醛的乙醇溶液通过恒压漏斗缓慢地滴入上述溶液中，随后在40 100°C溶剂回流反应0.5 48h ;自然冷却后，经无水乙醇洗涤、离心、烘干，制得功能化氮化碳光催化剂。本发明的显著优点在于:
(I)本发明首次将功能化氮化碳应用于有机光催化领域，具有大的比表面积，光生载流子能有效分离，是一种新型的光催化剂。(2)本发明的整个工艺过程简单易控制，能耗低，产率高，成本低，符合实际生产需要，有利于大规模的推广。(3)功能化氮化碳能够高效地催化氧化苯到苯酚，同时具有较好的活性稳定性。在光催化反应体系中可以方便地进行分离处理，光催化剂可再生能力强，重复利用率高，具有很高的实用价值和广泛的应用前景。
图1为实施例3所得的功能化氮化碳光催化剂的粉末XRD图。图2为实施例3所得的功能化氮化碳光催化剂的透射电镜图。图3为实施例3所得的功能化氮化碳光催化剂催化氧化苯到苯酚的液相色谱图。图4为实施例3所得的功能化氮化碳光催化剂催化氧化苯到苯酚的活性稳定性图。
具体实施例方式以下是本发明的几个实施例，进一步说明本发明，但是本发明不仅限于此。实施例1
首先是氮化碳前驱体的制备 称取5g商品的氰胺，溶解在12.5g商品硅溶胶(含40% 12 nm SiO2)中，100°C加热搅拌至干，将所得到的白色样品于500°C热处理4h，得到黄色粉末。将粉末加入到4M NH4HF2溶液中搅拌24h除去模板，过滤，水洗，乙醇洗，80°C真空干燥，即得黄色粉末介孔氮化碳光催化剂。其次是功能化氮化碳的制备
称取Ig介孔氮化碳高度分散在50ml的无水乙醇中，将溶解Ig 二茂铁甲醒的200ml无水乙醇溶液通过恒压漏斗缓慢地滴入上述溶液中，然后60°C加热搅拌24h，将所得到的固体用乙醇多次洗涤，最后在80°C真空烘干，即得功能化氮化碳光催化剂。实施例2
首先是氮化碳前驱体的制备
称取5g商品的氰胺，溶解在2.5g商品硅溶胶(含40% 12 nm SiO2)中，100°C加热搅拌至干，将所得到的白色样品于600°C热处理4h，得到黄色粉末。将粉末加入到4M NH4HF2溶液中搅拌24h除去模板，过滤，水洗，乙醇洗，80°C真空干燥，即得黄色粉末介孔氮化碳光催化剂。其次是功能化氮化碳的制备
称取Ig介孔氮化碳高度分散在50ml的无水乙醇中，将溶解Ig 二茂铁甲醒的200ml无水乙醇溶液通过恒压漏斗缓慢地滴入上述溶液中，然后60°C加热搅拌12h，将所得到的固体用乙醇多次洗涤，最后在80°C真空烘干，即得功能化氮化碳光催化剂。实施例3
首先是氮化碳前驱体的制备
称取5g商品的氰胺，溶解在2.5g商品硅溶胶(含40% 12 nm SiO2)中，100°C加热搅拌至干，将所得到的白色样品于700°C热处理2h，得到黄色粉末。将粉末加入到4M NH4HF2溶液中搅拌24h除去模板，过滤，水洗，乙醇洗，80°C真空干燥，即得黄色粉末介孔氮化碳光催化剂。其次是功能化氮化碳的制备
称取Ig介孔氮化碳高度分散在50ml的无水乙醇中，将溶解Ig 二茂铁甲醒的200ml无水乙醇溶液通过恒压漏斗缓慢地滴入上述溶液中，然后100°C加热搅拌48h，将所得到的固体用乙醇多次洗涤，最后在80°C真空烘干，即得功能化氮化碳光催化剂。实施例4
首先是氮化碳前驱体的制备
称取5g商品的氰胺，溶解在12.5g商品硅溶胶(含40% 12 nm SiO2)中，100°C加热搅拌至干，将所得到的白色样品于500°C热处理2h，得到黄色粉末。将粉末加入到4M NH4HF2溶液中搅拌24h除去模板，过滤，水洗，乙醇洗，80°C真空干燥，即得黄色粉末介孔氮化碳光催化剂。其次是功能化氮化碳的制备
称取Ig介孔氮化碳高度分散在50ml的无水乙醇中，将溶解Ig 二茂铁甲醒的200ml无水乙醇溶液通过恒压漏斗缓慢地滴入上述溶液中，然后100°C加热搅拌24h，将所得到的固体用乙醇多次洗涤，最后在80°C真空烘干，即得功能化氮化碳光催化剂。实施例5首先是氮化碳前驱体的制备
称取5g商品的氰胺，溶解在18.75g商品硅溶胶(含40% 12 nm SiO2)中，100°C加热搅拌至干，将所得到的白色样品于600°C热处理8h，得到黄色粉末。将粉末加入到4M NH4HF2溶液中搅拌24h除去模板，过滤，水洗，乙醇洗，80°C真空干燥，即得黄色粉末介孔氮化碳光催化剂。其次是功能化氮化碳的制备
称取Ig介孔氮化碳高度分散在50ml的无水乙醇中，将溶解Ig 二茂铁甲醒的200ml无水乙醇溶液通过恒压漏斗缓慢地滴入上述溶液中，然后80°C加热搅拌12h，将所得到的固体用乙醇多次洗涤，最后在80°C真空烘干，即得功能化氮化碳光催化剂。实施例6
首先是氮化碳前驱体的制备
称取5g商品的氰胺，溶解在18.75g商品硅溶胶(含40% 12 nm SiO2)中，100°C加热搅拌至干，将所得到的白色样品于 700°C热处理8h，得到黄色粉末。将粉末加入到4M NH4HF2溶液中搅拌24h除去模板，过滤，水洗，乙醇洗，80°C真空干燥，即得黄色粉末介孔氮化碳光催化剂。其次是功能化氮化碳的制备
称取Ig介孔氮化碳高度分散在50ml的无水乙醇中，将溶解Ig 二茂铁甲醒的200ml无水乙醇溶液通过恒压漏斗缓慢地滴入上述溶液中，然后80°C加热搅拌48h，将所得到的固体用乙醇多次洗涤，最后在80°C真空烘干，即得功能化氮化碳光催化剂。性能测试
图1为实施例3所得的功能化氮化碳的粉末XRD图。从图中可以发现所制备的功能化氮化碳为无定形。图2为实施例3所得的功能化氮化碳的透射电镜图。从图中可以发现制备的功能化氮化碳为介孔形貌。表I为实施例3所得的功能化氮化碳与商品二氧化钛P25光催化氧化苯到苯酚的效果比较。表I功能化氮化碳与商品二氧化钛P25光催化氧化苯到苯酚的效果比较
权利要求
1.一种苯催化氧化合成苯酹的功能化氮化碳光催化剂,其特征在于:功能化氮化碳光催化剂的化学式为Fc-CH=N-C3N4。
2.根据权利要求1所述的苯催化氧化合成苯酚的功能化氮化碳光催化剂，其特征在于:功能化氮化碳光催化剂的比表面积为10-400 m2/g，非晶态物质，能够有效分离光生载流子。
3.一种制备如权利要求1所述的苯催化氧化合成苯酹的功能化氮化碳光催化剂的方法，其特征在于:以热缩聚的产物为主体，通过溶剂回流法制得具有高活性的功能化氮化碳光催化剂。
4.根据权利要求3所述的苯催化氧化合成苯酚的功能化氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)将氰胺溶解在商品硅溶胶中，氰胺与商品硅溶胶的质量比为1:0 5，加热搅拌直到把水蒸干，得到的白色固体在N2保护下，500 700°C热处理I 10h，将热处理后的粉末加入到NH4HF2溶液中搅拌2天后，过滤、洗涤、烘干，得到黄色粉末，即介孔氮化碳，备用； (2)将制得的介孔氮化碳高度分散在无水乙醇中，二茂铁甲醛的乙醇溶液通过恒压漏斗缓慢地滴入上述溶液中，随后在40 100°C溶剂回流反应0.5 48h ;自然冷却后，经无水乙醇洗涤、离心、烘干，制得功能化氮化碳光催化剂。
5.一种如权利要求1所述的苯催化氧化合成苯酚的功能化氮化碳光催化剂的应用，其特征在于:所述的功能化氮化碳光催化剂用于苯高效催化氧化合成苯酚。
全文摘要
本发明涉及一种苯催化氧化合成苯酚的功能化氮化碳光催化剂及其制备方法和应用，属于材料制备及有机光合成的技术领域。功能化氮化碳光催化剂的化学式为Fc-CH=N-C3N4。其制备分两步进行第一步为热缩聚氮化碳前驱体；第二步为溶剂回流法合成功能化氮化碳光催化剂。本发明制备的光催化剂具有高比表面积，能够实现苯高效催化氧化合成苯酚。本发明工艺简单，成本低，产率高，符合实际生产需要，有较大的应用潜力。
文档编号C07C39/04GK103191780SQ201310133030
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月13日 优先权日2013年4月13日
发明者王心晨, 叶祥桔 申请人:福州大学