二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂及其制备与催化氧化葡萄糖合成葡萄糖酸的方法技术

本发明专利技术属于葡萄糖酸的技术领域，公开了二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂及其制备与催化氧化葡萄糖合成葡萄糖酸的方法。催化剂的制备：1)将木糖、SBA‑15以及水混合，水热反应；将反应产物，水以及己二胺混合，在惰性氛围下进行水热反应，煅烧，后续处理，获得氮掺杂介孔碳材料；3)将氮掺杂介孔碳材料分散于氯化铱溶液中，加入强碱溶液，搅拌均匀，去除水分，煅烧，洗涤，干燥，获得二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂。将葡萄糖、水以及所述催化剂混合，在密闭的环境以及氧气的压力下进行加热反应，获得葡萄糖酸。本发明专利技术的方法简单，所获得的催化剂具有热稳定好、催化活性高及可循环使用等优点，催化合成的葡萄糖酸产率高。

Iridium Dioxide Composite Nitrogen Doped Mesoporous Carbon Nanocatalyst and Its Preparation and Catalytic Oxidation of Glucose to Gluconic Acid

The invention belongs to the technical field of gluconic acid, and discloses iridium dioxide composite nitrogen doped mesoporous carbon nanocatalyst and a method for preparing and catalyzing the oxidation of glucose to synthesize gluconic acid. Catalyst preparation: 1) mixing xylose, SBA_15 and water, hydrothermal reaction; mixing reaction products, water and hexanediamine in inert atmosphere, hydrothermal reaction, calcination, subsequent treatment, to obtain nitrogen-doped mesoporous carbon materials; 3) dispersing nitrogen-doped mesoporous carbon materials in iridium chloride solution, adding strong alkali solution, stirring uniformly, removing water, calcining, washing, drying. Iridium dioxide composite nitrogen doped mesoporous carbon nanocatalysts were prepared by drying. Gluconic acid is obtained by mixing glucose, water and the catalyst, heating reaction under closed environment and oxygen pressure. The method of the invention is simple, and the obtained catalyst has the advantages of good thermal stability, high catalytic activity and recyclability, and high yield of gluconic acid for catalytic synthesis.

【技术实现步骤摘要】
二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂及其制备与催化氧化葡萄糖合成葡萄糖酸的方法
本专利技术属于葡萄糖酸合成的
，具体涉及一种二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂(IrO2@N-MC)及其制备方法与利用该催化剂催化氧化葡萄糖合成葡萄糖酸的方法。
技术介绍
随着石油等不可再生资源的日益枯竭，以可再生的生物质为原料生产化工产品已经成为实现化工产业可持续发展的趋势。葡萄糖酸及其衍生物，如葡萄糖酸盐、葡萄糖酸内酯等，是一类重要的多用途的有机化工产品。葡萄糖酸可用于以下方面：在乳制品工业上防止乳石沉淀；在食品配方中作酸味剂；用于配置清洗剂、织物加工和金属加工的助剂、皮革矾鞣剂、金属除锈剂、建筑工业上混凝土的塑化剂、生物降解的螯合剂、二次采油的防沉淀剂等。葡萄糖酸与钠、钙、锌、亚铁等金属氧化物反应制得金属离子盐，它们在化工、食品、医药、轻工业等行业有着广泛的应用。葡萄糖酸钠作为优良的螯合剂用于水质处理，电镀等多个部门；葡萄糖酸钙、锌、亚铁、镁等用于食品行业，补充人体所需元素；葡萄糖酸内酯可用作酸味剂、防腐剂，主要用于制作内酯豆腐。目前，工业化的葡萄糖酸合成方法有生物发酵法和多相催化氧化法，前者生产过程繁杂，因而多采用多相催化氧化法，但存在催化剂易中毒，生产效率低等缺点，开发高活性、高选择性、高稳定性的催化剂是现在生产中急需解决的问题。因此，寻找一类合适的催化剂催化氧化制备葡萄糖酸是非常有必要的。本专利技术以SBA-15为模板，木糖为原料，己二胺为氮源，通过两次水热法、一次炭化法制备氮掺杂的微孔碳材料，随后以氯化铱为铱源，制备二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂(IrO2@N-MC纳米催化剂)。IrO2@N-MC纳米催化剂具有热稳定性好、催化活性高及可重复利用等优点，避免了传统的微生物法合成葡萄糖酸生产过程复杂的弊端，解决了传统的异相催化法合成葡萄糖酸催化剂易中毒、生产效率低等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有葡萄糖酸合成的不足，提供一种二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂(IrO2@N-MC)及其制备方法。本专利技术的催化剂具有热稳定好、催化活性高及可循环使用等优点。本专利技术的另一目的在于提供利用上述催化剂催化氧化葡萄糖合成葡萄糖酸的方法。本专利技术利用上述催化剂可简单、高效的催化氧化葡萄糖合成葡萄糖酸，催化剂的催化活性好、热稳定性好，葡萄糖酸的产率高。本专利技术的方法简单易控，成本低，绿色无污染。为了达到上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂(IrO2@N-MC)的制备方法，包括以下步骤：(1)将木糖、SBA-15以及水混合，然后进行水热反应，后续处理，获得反应产物；所述水热反应的温度为150～200℃；(2)将反应产物，水以及己二胺混合，在惰性氛围下进行水热反应，后续处理，获得氮掺杂的反应产物；所述水热反应的温度为150～200℃；(3)将氮掺杂的反应产物进行煅烧，酸处理，过滤，洗涤至中性，干燥，获得氮掺杂介孔碳材料；所述煅烧的温度为550～950℃；(4)将氮掺杂介孔碳材料分散于氯化铱溶液中，加入强碱溶液，搅拌均匀，去除水分，煅烧，洗涤，干燥，获得二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂。步骤(1)中所述木糖与SBA-15的质量比为(0.5～2)：(0.5～3)；所述木糖与水的质量体积比为(0.5～2)g：30mL；所述水热反应时间为6～14h，优选为12h；所述后续处理是指过滤，用水洗涤，干燥处理。步骤(1)中混合为超声处理。步骤(2)中所述反应产物与水的质量体积比为1g:(10～40)mL；所述反应产物与己二胺的质量体积比为1g:(2～6)mL；所述惰性氛围为氮气或氩气；所述水热反应的时间为6～14h，优选为12h；所述后续处理是指过滤，用水洗涤，干燥处理。步骤(2)中混合为超声处理。步骤(3)中所述煅烧的时间为2～7h；所述酸处理是指采用氢氟酸浸泡，氢氟酸的浓度为30～40wt％。洗涤至中性是指洗涤至滤液为中性。步骤(4)中所述煅烧的温度为350～1050℃，煅烧的时间为2～6h；所述氯化铱溶液的浓度为0.5～3mg/mL；所述强碱溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液；所述强碱溶液的0.001～5M；所述氯化铱溶液中的铱的质量为氮掺杂介孔碳材料0.1～10wt％；所述强碱溶液中强碱与氯化铱溶液中氯化铱的摩尔比≥3:1。所述搅拌均匀的转速为500～1000rpm，搅拌的时间为10～60min；所述去除水分是指采用加热蒸发的方式，加热蒸发的温度为60～90℃。步骤(4)中洗涤是指用水第至滤液中无氯离子。步骤(1)所述水热反应的温度优选为200℃。步骤(2)所述水热反应的温度优选为180℃。所述二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂通过上述方法制备得到。所述二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂在催化氧化葡萄糖合成葡萄糖酸中的应用。一种利用二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂催化氧化葡萄糖合成葡萄糖酸的方法，包括以下步骤：将葡萄糖、水以及催化剂混合，在密闭的环境以及氧气的压力下进行加热反应，获得葡萄糖酸。所述加热反应的温度为120～170℃，优选为150～170℃；加热反应的时间为3～10h，优选为5～10h；所述氧气的压力为1～4MPa，优选为2～4MPa；所述催化剂与葡萄糖的质量比为(1～60)mg：0.25g，优选为(5～60)mg：0.25g。本专利技术的原理：所述IrO2@N-MC纳米催化剂催化氧化合成的葡萄糖酸可作为一类重要的多用途的有机化工产品。本专利技术具有有如下优点：(1)本专利技术合成的葡萄糖酸是一种具有高价值的化学品，是一种重要的化工中间体，在化工、建筑工业、食品工业等领域具有重要的应用前景；(2)本专利技术的催化剂的制备方法操作简单，成本低，反应条件易于控制；(3)本专利技术制备的IrO2@N-MC纳米催化剂，具有热稳定好、催化活性高(葡萄糖酸产率最高为84.9％)及可循环使用等优点；(4)本专利技术制备的IrO2@N-MC纳米颗粒作为催化剂，具有可重复使用性；(5)本专利技术的产品为解决能源危机问题提供了一种有效地途径。附图说明图1为实施例1制备的IrO2@N-MC纳米催化剂的使用前后的TEM图和STEM图及其粒径分布图，其中A为使用前催化剂的TEM图，B为使用前催化剂的STEM图，C为使用前催化剂的粒径分布图，D为使用后催化剂的TEM图，E为使用后催化剂的STEM图，F为使用后催化剂的粒径分布图；图2为实施例4～9中IrO2@N-MC催化氧化葡萄糖合成葡萄糖酸中反应条件对产物产率以及葡萄糖的转化率的影响图；其中A为实施例4中催化剂10mg，氧气压力3MPa下150℃下反应3～8h时，葡萄糖转化率以及葡萄糖酸等产物产率的变化曲线；B为实施例5中催化剂10mg，氧气压力3MPa下160℃下反应3～8h时，葡萄糖转化率以及葡萄糖酸等产物产率的变化曲线；C为实施例6中催化剂10mg，氧气压力1MPa，160℃下反应3～8h时，葡萄糖转化率以及葡萄糖酸等产物产率的变化曲线；D为实施例7中催化剂10mg，氧气压力2MPa下，160℃下反应3～8h时，葡萄糖转化率以及葡萄糖酸等产物产率的变化曲线；E为实施例8中催化剂5mg，氧气压力3MPa下160℃下反应3～8h时，葡萄糖转化率以及葡萄糖酸等产物产率的变化曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将木糖、SBA‑15以及水混合，然后进行水热反应，后续处理，获得反应产物；所述水热反应的温度为150～200℃；(2)将反应产物，水以及己二胺混合，在惰性氛围下进行水热反应，后续处理，获得氮掺杂的反应产物；所述水热反应的温度为150～200℃；(3)将氮掺杂的反应产物进行煅烧，酸处理，过滤，洗涤至中性，干燥，获得氮掺杂介孔碳材料；所述煅烧的温度为550～950℃；(4)将氮掺杂介孔碳材料分散于氯化铱溶液中，加入强碱溶液，搅拌均匀，去除水分，煅烧，洗涤，干燥，获得二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将木糖、SBA-15以及水混合，然后进行水热反应，后续处理，获得反应产物；所述水热反应的温度为150～200℃；(2)将反应产物，水以及己二胺混合，在惰性氛围下进行水热反应，后续处理，获得氮掺杂的反应产物；所述水热反应的温度为150～200℃；(3)将氮掺杂的反应产物进行煅烧，酸处理，过滤，洗涤至中性，干燥，获得氮掺杂介孔碳材料；所述煅烧的温度为550～950℃；(4)将氮掺杂介孔碳材料分散于氯化铱溶液中，加入强碱溶液，搅拌均匀，去除水分，煅烧，洗涤，干燥，获得二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂。2.根据权利要求1所述二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述木糖与SBA-15的质量比为(0.5～2)：(0.5～3)；所述水热反应时间为6～14h；步骤(2)中所述反应产物与己二胺的质量体积比为1g:(2～6)mL；步骤(2)中所述惰性氛围为氮气或氩气；所述水热反应的时间为6～14h；步骤(3)中所述煅烧的时间为2～7h；步骤(4)中所述氯化铱溶液中的铱的质量为氮掺杂介孔碳材料0.1～10wt％；所述强碱溶液中强碱与氯化铱溶液中氯化铱的摩尔比≥3:1。3.根据权利要求1所述二氧化铱复合氮掺杂介孔碳纳米催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述木糖与水的质量体积比为(0.5～2)g：30mL；步骤(1)中所述后续处理是指过滤，用水洗涤，干燥处理；步骤(2)中所述反应产物与水的质量体积比为1g:(10～40)mL；步骤(2)中所述后续处理是指过滤，用水洗涤，干燥处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭新文，马纪亮，钟林新，李铭赛，徐勇康，杨杰，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44