一种低温氮掺杂石墨烯负载纳米Pd加氢催化剂的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种低温氮掺杂石墨烯负载纳米Pd加氢催化剂的制备方法，该方法通过将氧化石墨超声剥离，得到高度分散的氧化石墨烯水溶液，选取不同的氮源，通过水热法低温合成掺氮石墨烯；将掺氮石墨烯进行超声处理，加入一定量的PdCl2溶液，并加入还原剂，利用化学还原法制备高度分散的负载型纳米Pd催化剂。由于将氮原子掺插到石墨烯的碳骨架中，氮原子含有大量的孤对电子，能够与金属纳米粒子发生配位作用，从而有效地防止金属纳米粒子的流失与团聚，提高金属纳米粒子在石墨烯表面的分散度。将上述催化剂用于烯烃的加氢反应，具有很高的催化活性和较好的复用性。该催化剂不仅制备方法简单、成本低，而且含氮量高、掺氮可控，易于实现工业化生产。
【专利说明】一种低温氮掺杂石墨烯负载纳米Pd加氢催化剂的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及加氢催化剂及其制备【技术领域】，特别涉及一种低温氮掺杂石墨烯负载纳米Pd加氢催化剂的制备方法。
【背景技术】
[0002]负载型金属因其较高稳定性及复用性被广泛应用于工业催化重要的加氢反应中。目前研究较多的用于负载纳米金属的载体有Si02、Al2O3、活性炭、分子筛等。
[0003]石墨烯，又称“单层石墨”，是SP2杂化的碳原子混成轨域，呈蜂窝状晶格结构排列构成的单层二维晶体。其独特而完美的结构使得石墨烯具有较大的比表面积、较高的电导率以及很好的热稳定性。石墨烯的这些特性使其成为纳米金属的优良载体。
[0004]目前，纳米金属/石墨烯复合材料的研究主要集中在Au、Pt、Pd、Ag等贵金属纳米粒子负载的石墨烯。这些纳米粒子的存在可以有效防止石墨烯的片层与片层之间发生团聚，已在Suzuki偶联、水分解、氧化、加氢等反应中表现出良好的催化性能。但是在石墨烯负载金属纳米粒子的过程中，仍然存在金属纳米粒子流失、颗粒分散不均匀等问题。
[0005]为了在石墨烯上更好的分散纳米金属，研究者做了大量的工作。如在制备的过程中加入柠檬酸钠、十二烷基硫酸钠或甲醇作为金属粒子的还原剂和稳定剂制备高度分散的纳米金属；采用氨基修饰氧化石墨烯，利用氨基含有的孤对电子与金属离子发生配位作用制备得到了高分散的Au、Rh、Pd、Fe等纳米粒子，且有效地防止了金属纳米粒子的流失。氨基修饰法被认为是制备高效纳米金属/石墨烯催化材料的有效的方法。然而，该方法需要较为昂贵的氨基硅烷偶联剂，且氨基的嫁接量很大程度上受到石墨烯表面含氧基团的影响。专利(CN201310170468.0)报道将氮元素掺入石墨烯骨架中再用于负载金属粒子，这不仅容易控制氮的含量，并可以防止氮元素的脱落。
[0006]目前，实现石墨烯氮掺杂的方法主要有化学气相沉积(CVD)法、N2等离子处理法、弧放电法、高能电热法、模板法等。这些方法或是反应温度高、耗时长，或是对基底材料和实验设备的要求高，限制了它们的广泛应用。中国科技大学俞书宏等人(Hydrothermalsynthesis of macroscopic nitrogen-doped graphene hydrogels for ultrafastsupercapacitor, Nano Energy2 (2013) 249 - 256)米用低温水热处理法对石墨烯进行掺氮，选用不同的氮源和处理条件可十分便捷地调节石墨烯的掺氮量。另外，水热合成法由于条件比较温和，在很大程度上保留了原有石墨烯片层结构。但是，目前还没有报道该方法制备的氮掺杂石墨烯对负载纳米Pd以及制备的加氢催化剂性能的影响。因此，需要找出一种合成条件温和，成本低廉的氮掺杂石墨烯高度分散Pd纳米粒子高效加氢催化剂的方法。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是针对目前石墨烯负载纳米金属存在的粒子流失、颗粒分散不均匀以及在此制备过程中引入表面活性剂、氨基等存在的成本高、操作复杂等问题，提供一种合成方法相对简单、成本低廉、能在低温下反应的氮掺杂石墨烯高度分散Pd纳米粒子加氢催化剂的方法。
[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0009]称取一定量氧化石墨加入到去离子水中，使其浓度为2mg/mL，超声处理1.5h得到高度分散的氧化石墨烯水溶液；向上述溶液中加入0.93-3.7mmol氮源，室温搅拌1min后装入水热反应釜中，120-180°C晶化8-16h，晶化结束后抽滤，样品用去离子水淋洗，80°C烘干过夜，得到掺有不同氮源的石墨烯。
[0010]称取一定量掺氮石墨烯加入去离子水中，使其浓度为lmg/mL，50°C超声3h，力口入0.4mL0.02mol/L的PdCl2水溶液，磁力搅拌的同时缓慢滴加0.5_2mL还原剂，室温搅拌30min,离心分离,水洗5次，60°C真空干燥2h,得到所述的催化剂。
[0011]作为对本发明的限定，本发明所述的氮源为氨水、乙二胺或尿素；所述的还原剂为水合肼或硼氢化钠。
[0012]在研究中发现，采用氮掺杂的石墨烯负载Pd，借助氮的孤对电子与金属Pd的作用，在很大程度上可提高Pd纳米粒子的分散度，并可减少Pd的流失。
[0013]另外，该方法操作简单、条件温和、能在较低温度下进行且成本低廉，并且通过改变氮源种类、用量及合成条件即可十分便捷地调节石墨烯的掺氮量，从而调节Pd的含量和分散情况。
[0014]本发明所述的催化剂在烯烃的加氢反应中表现出良好的催化活性和复用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是未掺杂氮的石墨烯负载Pd催化剂和本发明实施例1、2和3得到的掺氮石墨烯负载Pd催化剂的TEM图谱，其中:Pd/G是未掺杂氮石墨烯负载Pd催化剂的TEM图谱；A是实施例1得到的氮掺杂催化剂A的TEM图谱；B是实施例2得到的氮掺杂催化剂B的TEM图谱；C是实施例3得到的氮掺杂催化剂C的TEM图谱。
[0016]TEM采用JE0LJEM-2100透射电镜测试，制样方法:样品分散于乙醇中，超声处理后滴到载网上，然后烘干去除乙醇。
[0017]从图1可以看出，对比未掺氮的石墨烯Pd催化剂，掺氮石墨烯负载的Pd粒子要小很多，分散也相对比较均匀。在相同氮源量的情况下，以尿素为氮源制备的掺氮石墨烯(见催化剂C的TEM图谱)作为载体获得的Pd粒子最小，约为3nm。
【具体实施方式】
[0018]下面再结合以下实施例对本发明作进一步的说明，但应了解的是，这些实施例仅为例示说明之用，而不应被解释为本发明实施的限制。
[0019]实施例1
[0020]称取氧化石墨加入到去离子水中使其浓度为2mg/mL，超声处理1.5h得到高度分散的氧化石墨烯水溶液；向上述溶液中加入1.85mmol乙二胺,室温搅拌1min后装入水热反应釜中，180°C晶化12h，晶化结束后抽滤，样品用去离子水淋洗，80°C烘干过夜，得到掺氮
石墨烯。
[0021]称取掺氮石墨烯加入到去离子水中(使其浓度为lmg/mL)，50°C超声3h，加入0.4mL PdCl2水溶液(0.02mol/L)，磁力搅拌的同时缓慢滴加ImL水合肼，室温搅拌30min，离心分离，水洗5次，60°C真空干燥2h，得到所述的催化剂A。
[0022]实施例2
[0023]称取氧化石墨加入到去离子水中(使其浓度为2mg/mL)，超声处理1.5h得到高度分散的氧化石墨烯水溶液；向上述溶液中加入3.7mmol氨水,室温搅拌1min后装入水热反应釜中，180°C晶化12h，晶化结束后抽滤，样品用去离子水淋洗，80°C烘干过夜，得到掺氮石墨稀。
[0024]称取掺氮石墨烯加入到去离子水中(使其浓度为lmg/mL)，50°C超声3h，加入0.4mL PdCl2水溶液(0.02mol/L)，磁力搅拌的同时缓慢滴加ImL水合肼，室温搅拌30min，离心分离，水洗5次，60°C真空干燥2h，得到所述的催化剂B。
[0025]实施例3
[0026]称取氧化石墨加入到去离子水中(使其浓度为2mg/mL)，超声处理1.5h得到高度分散的氧化石墨烯水溶液；向上述溶液中加入1.85mmol尿素,室温搅拌1min后装入水热反应釜中，180°C晶化12h，晶化结束后抽滤，样品用去离子水淋洗，80°C烘干过夜，得到掺有不同氮石墨烯。
[0027]称取掺氮石墨烯加入去离子水中(使其浓度为lmg/mL)，50°C超声3h，加入0.4mLPdCl2水溶液(0.02mol/L)，磁力搅拌的同时缓慢滴加ImL水合肼，室温搅拌30min，离心分离，水洗5次，60°C真空干燥2h，得到所述的催化剂C。
[0028]实施例4
[0029]称取氧化石墨加入到去离子水中(使其浓度为2mg/mL)，超声处理1.5h得到高度分散的氧化石墨烯水溶液；向上述溶液中加入0.93mmol尿素,室温搅拌1min后装入水热反应釜中，120°C晶化16h，晶化结束后抽滤，样品用去离子水淋洗，80°C烘干过夜，得到掺氮
石墨烯。
[0030]称取掺氮石墨烯加入去离子水中(使其浓度为lmg/mL)，50°C超声3h,加入0.4mLPdCl2水溶液(0.02mol/L)，磁力搅拌的同时缓慢滴加0.5mL水合肼，室温搅拌30min，离心分离，水洗5次，60°C真空干燥2h，得到所述的催化剂D。
[0031]实施例5
[0032]称取氧化石墨加入到去离子水中(使其浓度为2mg/mL)，超声处理1.5h得到高度分散的氧化石墨烯水溶液；向上述溶液中加入2.5mmol氨水,室温搅拌1min后装入水热反应釜中，180°C晶化12h，晶化结束后抽滤，样品用去离子水淋洗，80°C烘干过夜，得到掺氮石墨稀。
[0033]称取掺氮石墨烯加入去离子水中(使其浓度为lmg/mL)，50°C超声3h，加入0.4mLPdCl2水溶液(0.02mol/L)，磁力搅拌的同时缓慢滴加ImL水合肼，室温搅拌30min，离心分离，水洗5次，60°C真空干燥2h，得到所述的催化剂E。
[0034]实施例6
[0035]称取氧化石墨加入到40mL去离子水中(使其浓度为2mg/mL)，超声处理1.5h得到高度分散的氧化石墨烯水溶液；向上述溶液中加入1.85mmol尿素,室温搅拌1min后装入水热反应釜中，140°C晶化8h，晶化结束后抽滤，样品用去离子水淋洗，80°C烘干过夜，得到
掺氮石墨烯。[0036]称取掺氮石墨烯加入40mL去离子水中(使其浓度为lmg/mL), 50°C超声3h,加入
0.4mL PdCl2水溶液(0.02mol/L)，磁力搅拌的同时缓慢滴加ImL水合肼，室温搅拌30min，离心分离，水洗5次，60°C真空干燥2h，得到所述的催化剂F。
[0037]实施例7
[0038]称取氧化石墨加入到40mL去离子水中(使其浓度为2mg/mL)，超声处理1.5h得到高度分散的氧化石墨烯水溶液；向上述溶液中加入1.85mmol尿素,室温搅拌1min后装入水热反应釜中，160°C晶化10h，晶化结束后抽滤，样品用去离子水淋洗，80°C烘干过夜，得到
掺氮石墨烯。
[0039]称取掺氮石墨烯加入40mL去离子水中(使其浓度为lmg/mL), 50°C超声3h,加入
0.4mL PdCl2水溶液(0.02mol/L)，磁力搅拌的同时缓慢滴加ImL水合肼，室温搅拌30min，离心分离，水洗5次，60°C真空干燥2h，得到所述的催化剂G。
[0040]实施例8
[0041]称取氧化石墨加入到40mL去离子水中(使其浓度为2mg/mL)，超声处理1.5h得到高度分散的氧化石墨烯水溶液；向上述溶液中加入1.85mmol尿素,室温搅拌1min后装入水热反应釜中，180°C晶化10h，晶化结束后抽滤，样品用去离子水淋洗，80°C烘干过夜，得到
掺氮石墨烯。
[0042]称取掺氮石墨烯加入40mL去离子水中(使其浓度为lmg/mL), 50°C超声3h,加入
0.4mL PdCl2水溶液(0.02mol/L)，磁力搅拌的同时缓慢滴加ImL硼氢化钠，室温搅拌30min，离心分离，水洗5次，60°C真空干燥2h，得到所述的催化剂H。
[0043]实施例9
[0044]称取氧化石墨加入到40mL去离子水中(使其浓度为2mg/mL)，超声处理1.5h得到高度分散的氧化石墨烯水溶液；向上述溶液中加入1.85mmol尿素,室温搅拌1min后装入水热反应釜中，180°C晶化16h，晶化结束后抽滤，样品用去离子水淋洗，80°C烘干过夜，得到
掺氮石墨烯。
[0045]称取掺氮石墨烯加入40mL去离子水中(使其浓度为lmg/mL), 50°C超声3h,加入
0.4mL PdCl2水溶液(0.02mol/L)，磁力搅拌的同时缓慢滴加2mL硼氢化钠，室温搅拌30min，离心分离，水洗5次，60°C真空干燥2h，得到所述的催化剂I。
[0046]将上述实施例中的催化剂应用于1-己烯加氢过程中，反应条件如下:
[0047]溶剂:乙醇；1-己烯/Pd(mol/mol): 1.5X 104 ;氢气压力:1.0MPa ;反应温度:300C ;反应时间:lh，其催化性能如表1所示:
[0048]表1催化剂的催化性能
[0049]
【权利要求】
1.一种低温氮掺杂石墨烯负载纳米Pd加氢催化剂的制备方法，其特征在于该方法按照下述步骤进行的: (1)称取一定量氧化石墨加入到去离子水中，使氧化石墨的浓度为2mg/mL，超声处理1.5h得到高度分散的氧化石墨烯水溶液； (2)向上述溶液中加入0.93-3.7mmol氮源，室温搅拌1min后装入水热反应釜中，120-180°C晶化8-16h，晶化结束后抽滤，样品用去离子水淋洗，80°C烘干过夜，得到掺有不同氮源的石墨烯； (3)称取一定量掺氮石墨烯加入到去离子水中，使其浓度为lmg/mL,50°C超声3h,加入0.4mL0.02mol/L PdCl2水溶液，磁力搅拌的同时缓慢滴加0.5_2mL还原剂，室温搅拌30min，离心分离，水洗5次，60°C真空干燥2h，得到所述的催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种低温氮掺杂石墨烯负载纳米Pd加氢催化剂的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的氮源为氨水、乙二胺或尿素。
3.根据权利要求1所述的一种低温氮掺杂石墨烯负载纳米Pd加氢催化剂的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述的还原剂为水合肼或硼氢化钠。
【文档编号】B01J27/24GK104028293SQ201410286846
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】刘平, 武梦瑶, 李永昕, 薛冰 申请人:常州大学