本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种碳包覆的镍铁合金纳米催化剂及其制备方法和在对硝基苯酚加氢反应中的应用。
背景技术：
过渡金属催化剂作为一种重要的工业催化剂，广泛应用于现代石油化工、生物医药、精细化工以及环境保护等重要的化工生产领域，在现代化学工业中占有重要的地位。特别是过渡金属纳米材料优异的加氢、脱氢、氧化、重整等催化性质，近年来引起了化学工作者的广泛关注。但是，裸露的过渡金属纳米粒子有着易氧化、易团聚、活性低、寿命短的特点，阻碍了其在工业中的实际应用。
碳纳米材料具有比表面积大，稳定性好和电子传导性优异的特点，是良好的催化剂载体。化学工作者们通常将过渡金属及其合金的纳米颗粒负载到碳纳米材料上，如碳纳米管、石墨烯等，制得过渡金属/碳纳米复合催化剂，以提高催化的的活性与稳定性。制备过渡金属/碳纳米复合催化剂的主要方法有浸渍还原法、模板法、水/溶剂热法、化学气相沉积法等，但是，通常情况下，这些方法中所用到的碳纳米材料都是制备好的，使用时大多要经过多步的前处理过程，操作繁琐；又需要加入还原剂或模板剂，成本高昂；制得的过渡金属纳米颗粒的结晶度、纯度和分散性不高，降低了催化剂的活性与稳定性，不利于在工业中大规模应用。
层状双金属氢氧化物(layereddoublehydroxides，简称ldhs)，是一类阴离子型层状结构材料，其通式为[m2+1-xm3+x(oh)2]x+·an-x/n·mh2o，(m2+，m3+分别代表二价和三价金属阳离子，下标x为m3+/(m2++m3+)的摩尔比，an-代表层间插层阴离子)，其中二价和三价金属阳离子在ldhs层板中呈现原子级有序分布。我们以水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物(nife-ldh-sal)为前驱体，在惰性气氛下，通过一步热解法制得碳包覆的镍铁合金纳米催化剂。该方法无需加入还原剂、模板剂和额外碳源，有绿色、简单、高效，成本低廉的特点，适用于大规模工业化生产。制得的催化剂合金颗粒尺寸小，分散性好，结晶度、纯度高，碳基质石墨化程度高，有较大的比表面积和丰富的孔道结构。将制得的催化剂应用于对硝基苯酚液相催化加氢反应中，其表现出了良好的的催化活性和稳定性。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种碳包覆的镍铁合金纳米催化剂及其制备方法，并将所制备的催化剂应用于对硝基苯酚的液相催化加氢反应中。
本发明的技术方案如下：
一种碳包覆的镍铁合金纳米催化剂，其特征在于，具有外层碳基质包覆内部镍铁合金的三维花状复合结构。
进一步的，所述碳基质是石墨化的，比表面积在47.17-141.36m2g-1之间，孔径在18-25nm之间，孔体积在0.15-0.6cm3g-1之间。
进一步的，所述镍铁合金颗粒直径为10nm，在所述碳基质上的负载量在60-80％。
上述碳包覆的镍铁合金纳米催化剂的制备方法，其特征在于，以水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物为前驱体，在300-600℃惰性气体气氛中一步焙烧热解得到三维花状的碳包覆的镍铁合金纳米催化剂。
进一步的，所述水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体的制备方法：将浓度为0.25-0.45mol·l-1的镍盐水溶液、浓度为0.05-0.08mol·l-1的铁盐水溶液和浓度为0.3-2.5mol·l-1的水杨酸盐溶液在四口瓶中混合均匀，其中镍和铁的摩尔比为6-3:1，镍和铁的摩尔数之和与水杨酸盐的摩尔比为5-1：1；再向反应体系中加入浓度为0.5-4.5mol·l-1的尿素溶液，尿素加入量是镍和铁的摩尔数之和的2-10倍；在85-100℃温度下反应12-36h后，产物用去离子水离心洗涤，干燥，得到水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体。
进一步的，所述的水杨酸盐为水杨酸钠或水杨酸钾。
进一步的，所述的镍盐选自硝酸镍，硫酸镍和氯化镍中的一种或几种。
进一步的，所述的铁盐选自硝酸铁，硫酸铁和氯化铁中的一种或几种。
进一步的，所述的惰性气体为氮气或氩气，焙烧温度为400-600℃，焙烧时间为1-3h。
一种上述碳包覆的镍铁合金纳米催化剂的用途：应用于对硝基苯酚的液相催化加氢反应。
本发明的有益效果在于：本发明首次以水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物为单一前驱体，在惰性气氛下，通过一步热解法制得碳包覆的镍铁合金纳米催化剂。该催化剂合金颗粒尺寸在10nm左右，有良好的分散性、结晶度和纯度，碳基质石墨化程度高，有较大的比表面积和丰富的孔道结构，合金颗粒在碳基质上的负载量高达60-80％。将该催化剂应用于对硝基苯酚的催化加氢反应中，其催化活性高于商业化pd/c催化剂(10％)，在循环利用20次后，反应转化率仍在95％以上。与传统的合成方法相比，该方法步骤简单可控，原料价格低廉，制备条件温和，无需引入还原剂、模板剂与额外碳源，也无需昂贵设备，适用于工业化的大规模生产。
附图说明
图1是根据本发明方法制备的水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体的sem图。
图2是根据本发明方法制备的水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体的xrd图。
图3是根据本发明方法制备的碳包覆的镍铁合金纳米催化剂的sem图。
图4是根据本发明方法制备的碳包覆的镍铁合金纳米催化剂的xrd图。
图5是根据本发明方法制备的碳包覆的镍铁合金纳米催化剂的raman图。
图6是根据本发明方法制备的碳包覆的镍铁合金纳米催化剂的hrtem图。
图7是根据本发明方法制备的碳包覆的镍铁合金纳米催化剂液相催化对硝基苯酚加氢为对氨基苯酚(a)与商业pd/c催化剂(10％)液相催化对硝基苯酚加氢为对氨基苯酚(b)的紫外光谱谱图。
图8是根据图7得到的两种催化剂液相催化对硝基苯酚加氢为对氨基苯酚反应的一级反应动力学图。
图9是根据本发明方法制备的碳包覆的镍铁合金纳米催化剂在室温下的磁滞回线，其中左上角插图是磁滞回线低场区局部放大图，右下角是在外加磁场作用前后，分散体系状态的数码照片。
图10是根据本发明方法制备的碳包覆的镍铁合金纳米催化剂液相催化对硝基苯酚加氢为对氨基苯酚的循环实验转化率图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明所述的制备方法做进一步说明，但是本发明的保护范围不限于此。
实施例1
(1)称取4.8467gni(no3)2·6h2o，1.3467gfe(no3)3·6h2o和6.4044g水杨酸钠，分别溶于50ml去离子水中充分超声使其溶解，配成盐溶液。先将镍盐溶液与铁盐溶液倒入四口烧瓶中，开启电动搅拌器搅拌10分钟，然后保持搅拌不停，用u形管逐滴加入水杨酸钠水溶液，然后再搅拌10分钟，使其充分溶解。
(2)称取3.0030g尿素溶于50ml去离子水中配成碱液，在搅拌下，将其缓慢倒入四口烧瓶中，此时混合溶液呈现红棕色。将水浴温度升高到95℃，搅拌不停，在此温度下反应24小时，得到三维花状的水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体。
(3)将步骤(2)中制得的三维花状的水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体在n2气气氛中焙烧还原，气体流速为50ml/min，焙烧温度为450℃，保温2小时，得到碳包覆的镍铁合金纳米催化剂。
实施例2
(1)称取4.8467gni(no3)2·6h2o，1.3467gfe(no3)3·6h2o和3.2022g水杨酸钠，分别溶于50ml去离子水中充分超声使其溶解，配成盐溶液。先将镍盐溶液与铁盐溶液倒入四口烧瓶中，开启电动搅拌器搅拌5分钟，然后保持搅拌不停，用u形管逐滴加入水杨酸钠水溶液，然后再搅拌5分钟，使其充分溶解。
(2)称取6.0060g尿素溶于50ml去离子水中配成碱液，在搅拌下，将其缓慢倒入四口烧瓶中，此时混合溶液呈现红棕色。将水浴温度升高到90℃，搅拌不停，在此温度下反应12小时，得到三维花状的水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体。
(3)将步骤(2)中制得的三维花状的水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体在ar气气氛中焙烧还原，气体流速为45ml/min，焙烧温度为500℃，保温1小时，得到碳包覆的镍铁合金纳米催化剂。
实施例3
(1)称取4.8467gni(no3)2·6h2o，1.3467gfe(no3)3·6h2o和12.8088g水杨酸钠，分别溶于50ml去离子水中充分超声使其溶解，配成盐溶液。先将镍盐溶液与铁盐溶液倒入四口烧瓶中，开启电动搅拌器搅拌10分钟，然后保持搅拌不停，用u形管逐滴加入水杨酸钠水溶液，然后再搅拌10分钟，使其充分溶解。
(2)称取9.0090g尿素溶于50ml去离子水中配成碱液，在搅拌下，将其缓慢倒入四口烧瓶中，此时混合溶液呈现红棕色。将水浴温度升高到90℃，搅拌不停，在此温度下反应36小时，得到三维花状的水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体。
(3)将步骤(2)中制得的三维花状的水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体在n2气气氛中焙烧还原，气体流速为60ml/min，焙烧温度为550℃，保温4小时，得到碳包覆的镍铁合金纳米催化剂。
实施例4
(1)称取4.3806gniso4·6h2o，1.3329gfe2(so4)3和7.0484g水杨酸钾，分别溶于50ml去离子水中充分超声使其溶解，配成盐溶液。先将镍盐溶液与铁盐溶液倒入四口烧瓶中，开启电动搅拌器搅拌10分钟，然后保持搅拌不停，用u形管逐滴加入水杨酸钠水溶液，然后再搅拌10分钟，使其充分溶解。
(2)称取3.0030g尿素溶于100ml去离子水中配成碱液，在搅拌下，将其缓慢倒入四口烧瓶中，此时混合溶液呈现红棕色。将水浴温度升高到95℃，搅拌不停，在此温度下反应24小时，得到三维花状的水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体。
(3)将步骤(2)中制得的三维花状的水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体在ar气气氛中焙烧还原，气体流速为60ml/min，焙烧温度为500℃，保温3小时，得到碳包覆的镍铁合金纳米催化剂。
实施例5
(1)称取3.9615gnicl2·6h2o，0.9009gfecl3·6h2o和7.0484g水杨酸钾，分别溶于50ml去离子水中充分超声使其溶解，配成盐溶液。先将镍盐溶液与铁盐溶液倒入四口烧瓶中，开启电动搅拌器搅拌10分钟，然后保持搅拌不停，用u形管逐滴加入水杨酸钠水溶液，然后再搅拌10分钟，使其充分溶解。
(2)称取6.0060g尿素溶于50ml去离子水中配成碱液，在搅拌下，将其缓慢倒入四口烧瓶中，此时混合溶液呈现红棕色。将水浴温度升高到90℃，搅拌不停，在此温度下反应24小时，得到三维花状的水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体。
(3)将步骤(2)中制得的三维花状的水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体在n2气气氛中焙烧还原，气体流速为50ml/min，焙烧温度为550℃，保温2小时，得到碳包覆的镍铁合金纳米催化剂。
采用sem、xrd、raman和hrtem等途径对根据本发明方法制备的水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体和碳包覆的镍铁合金纳米催化剂的形貌及结构进行表征。图1是水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物前驱体的sem图，由此图可以看出，前驱体呈现三维花状结构。图2是对应的xrd图，从中可以看出，前驱体出现了五个明显的层状氢氧化物特征衍射峰，其出峰位置在7.07°、14.25°、21.27°、33.98°和60.29°处，分别对应了(003)、(006)、(009)、(012)和(110)晶面，五种前驱体的前三个峰的峰位置呈现出良好的倍数关系，证明层状结构的生成。最强衍射峰(003)晶面对应的层间距为
我们将根据本发明方法制备的碳包覆的镍铁合金纳米催化剂用于对硝基苯酚的液相催化还原反应中，具体反应条件为：在室温下，准确配制100ml的0.2mm的对硝基苯酚溶液于烧杯中，取15mg催化剂加入其中并使之均匀分散，再加入0.1g硼氢化钠作为还原剂，用紫外可见分光光度计对反应体系进行光谱测试以确定其反应进度，发现我们制备的碳包覆的镍铁合金纳米催化剂催化的反应仅用了90秒反应完全，作为对比，我们在相同条件下把10％商业pd/c催化剂用于该反应中，用了210秒反应完全。图8是根据图7画出的两种催化剂催化的反应的一级动力学曲线，由此得知，两反应的反应速率常数分别为0.0414s-1和0.0216s-1，根据本发明方法制备的碳包覆的镍铁合金纳米催化剂与目前在对硝基苯酚催化还原领域最优秀的pd/c催化剂比较，其反应速率常数仍然比其高了一倍，这些足以说明我们所制备催化剂在对硝基苯酚液相催化还原反应中的超高活性。图9是根据本发明方法制备的碳包覆的镍铁合金纳米催化剂磁滞回线，由图可知，该催化剂有较大的饱和磁化强度(85.1emug-1)，较小的剩磁(14.1emug-1)和矫顽力(117.5oe)，有利于其在分散体系中的磁性回收，右下角插图为在有外加磁场的条件下，磁性吸附均匀分散在反应后溶液的催化剂，可以实现催化剂的快速分离。图10是根据本发明方法制备的碳包覆的镍铁合金纳米催化剂循环使用20次的转化率图，从中发现即使在20次之后，催化反应的转化率仍然在95％以上，说明该催化剂有着很好的稳定性。根据本发明方法制备的碳包覆的镍铁合金纳米催化剂在对硝基苯酚的液相催化还原反应中有着超高的反应活性和良好的可循环性，足以证明其在该领域良好的应用前景。
综上所述，本发明提供的制备方法以水杨酸根插层的镍铁层状双金属氢氧化物(nife-ldh-sal)为前驱体，在惰性气氛下，通过一步热解法制得碳包覆的镍铁合金纳米催化剂。本发明所述合成方法以新型有机插层层状氢氧化物为单一前驱体，原料价格低廉，制备条件温和，无需加入还原剂、模板剂与额外碳源，也无需昂贵设备。用该方法制得的催化剂合金颗粒尺寸小，分散性好，结晶度、纯度高，碳基质石墨化程度高，有较大的比表面积和丰富的孔道结构，合金颗粒在碳基质上有较大的负载量。将该催化剂应用于对硝基苯酚的液相催化加氢反应中，获得良好的催化活性与稳定性。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。