一种含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂及其制备方法和应用。该固体催化剂的制备方法，包括如下步骤：(1)将NaOH溶液滴入含有Mg

【技术实现步骤摘要】
一种含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及固体催化剂
，尤其涉及一种含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]众多文献中对葡萄糖或木糖形成羟甲基糠醛和糠醛的不同机理进行了鉴定和描述。从无环葡萄糖或木糖开始，通过1,2
‑
氢化物移位或1,2
‑
烯二醇异构化得到相应的酮糖，酮糖是该机理中实现环化途径的关键中间体。相比之下，1,2
‑
烯二醇衍生物可以提供2,3
‑
不饱和醛作为关键中间体。目前，在制备羟甲基糠醛和糠醛等呋喃化合物的工艺过程中可采用的是均相催化剂等。常用的均相催化剂有硫酸和氯化铝。鉴于均相催化剂在设备腐蚀性、产物分离及废液废渣排放等方面表现不足，找寻一种高活性、稳定性好、且易分离的催化剂成为必然所需。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决了现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂及其制备方法和应用，本专利技术以该固体催化剂来催化合成羟甲基糠醛和糠醛，使该固体催化剂便于从液相的反应体系中分离，同时羟甲基糠醛和糠醛的产率分别高达94％和96％。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0005](1)将NaOH溶液滴入含有Mg
2+
和Cr
3+
的水溶液中，至溶液的pH值为9
‑
11，获得的悬浮液恒温陈化后，将固体过滤和洗涤后，得到Cr
‑
Mg
‑
LDHs水滑石；
[0006](2)将步骤(1)制备得到的Cr
‑
Mg
‑
LDHs水滑石与甘蔗渣混合，然后在保护气体气氛中煅烧，所得固体即为含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂。
[0007]优选地，步骤(1)的具体步骤为：将镁盐和铬盐溶于水中得到含有Mg
2+
和Cr
3+
的水溶液，镁盐与铬盐的质量比为13:10
‑
45，将NaOH溶液逐滴滴加到上述溶液中，直至溶液的pH值达到10，获得墨绿色悬浮液，将此悬浮液在60℃
‑
100℃下陈化12
‑
24小时，然后将固体过滤和洗涤和洗涤后，得到Cr
‑
Mg
‑
LDHs水滑石。
[0008]进一步优选，所述的镁盐为MgCl2·
6H2O，铬盐为CrCl3·
6H2O。
[0009]本专利技术利用铬镁水滑石所具备的酸碱双功能催化活性位，同步实现异构化和环化反应。其中，铬盐作为路易斯酸催化中心的提供者，镁盐则作为布朗斯特碱催化中心的提供者。此外，采用碳材料对所制备的铬镁水滑石进行分散，提高催化剂的比表面积，从而最终提高含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂的催化性能，该催化剂具有高酸值和高碱值，含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂为酸碱双功能基催化剂。
[0010]优选地，所述的Cr
‑
Mg
‑
LDHs水滑石与甘蔗渣的质量比为1:1
‑
6。
[0011]优选地，保护气体气氛中煅烧的具体条件为：在氮气保护下，350℃
‑
450℃煅烧3.5
‑
4.5小时。
[0012]本专利技术还保护通过上述制备方法制备得到的含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂，所述的固体催化剂铬/镁原子数比值为0.32
‑
0.86，比表面积为85.49
‑
127.15m2/g。
[0013]本专利技术首先采用共沉淀法制备含铬镁的层状水滑石材料，再将该材料与以甘蔗渣为原料制备的介孔生物炭键合，制备出一种含铬镁水滑石材料复合生物炭催化剂。该酸碱双功能基催化剂的制备过程精准度高，可制得粒度均匀的固体催化剂。由于所制得的催化剂易回收，对设备无腐蚀，是环境友好型催化剂。由于具备的酸碱双功能催化活性位，可同步实现异构化和环化反应。此外，采用蔗渣基介孔碳材料对所制备的铬镁水滑石进行分散，提高了催化剂的比表面积。
[0014]本专利技术还保护所述的含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂在己糖和戊糖脱水环化制糠醛和糠醛衍生物反应中的应用。本专利技术针对己糖和戊糖脱水环化产糠醛和糠醛衍生物反应的特点，设计及制备含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂，并将其应用在己糖和戊糖脱水环化反应中。
[0015]优选地，所述的糠醛和/或糠醛衍生物的制备方法，包括如下步骤：将葡萄糖、木糖和所述的固体催化剂混合，溶于反应溶剂中，所述的反应溶剂为去离子水与二甲基亚砜的体积比为1:3的混合溶液，95℃
‑
105℃下反应11
‑
13h，得到羟甲基糠醛和糠醛。
[0016]进一步优选，所述的葡萄糖和木糖质量比为1:1，葡萄糖与反应溶剂的质量体积比为150:1mg/mL，葡萄糖与固体催化剂的质量比为7.5:1。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0018](1)本专利技术首先采用共沉淀法将铬和镁以氢氧化物沉淀的方式固定在层状水滑石结构中；再利用炭材料表面丰富的含氧基团与强电负性金属离子的亲和效应，将铬镁水滑石材料键合在生物炭表面，同时提高催化活性位点的分布与催化剂主体结构的比表面积，以提高催化剂的催化性能。
[0019](2)本专利技术将铬离子通过水滑石结构制备成固体催化剂，用于代替均相铬盐来催化脱水环化反应；利用高比表面积的碳化后的生物质原料增加类水滑石催化剂的比表面积，提高其活性中心分散性与稳定性。
[0020](3)本专利技术制备出的催化剂同时具有酸催化中心和碱催化中心，其中碱催化有利于单质糖的异构化，使其结构更容易在酸催化剂的作用下脱水环化，最终高效得到所需产物。
附图说明
[0021]图1为实施例2所制备的含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂的透射电镜及其元素分布图；
[0022]图2为实施例2所制备的含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂的扫描电镜图；
[0023]图3为实施例3所制备的含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂的扫描电镜图；
[0024]图4为对比例1所制备的含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂的扫描电镜图；
[0025]图5为实施例2所制备的含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂与对比例1含铬镁水滑石的氨气程序升温脱附谱图；
[0026]图6为实施例2所制备的含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂与对比例1含铬镁水滑石的二氧化碳程序升温脱附谱图。
具体实施方式
[0027]以下实施例是对本专利技术的进一步说明，而不是对本专利技术的限制。除特别说明，本专利技术使用的设备和试剂为本
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将NaOH溶液滴入含有Mg
2+
和Cr
3+
的水溶液中，至溶液的pH值为9
‑
11，获得的悬浮液恒温陈化后，将固体过滤和洗涤后，得到Cr
‑
Mg
‑
LDHs水滑石；(2)将步骤(1)制备得到的Cr
‑
Mg
‑
LDHs水滑石与甘蔗渣混合，然后在保护气体气氛中煅烧，所得固体即为含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂。2.根据权利要求1所述的含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)的具体步骤为：将镁盐和铬盐溶于水中得到含有Mg
2+
和Cr
3+
的水溶液，镁盐与铬盐的质量比为13:10
‑
45，将NaOH溶液逐滴滴加到上述溶液中，直至溶液的pH值达到10，获得墨绿色悬浮液，将此悬浮液在60℃
‑
100℃下陈化12
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24小时，然后将固体过滤和洗涤后，得到Cr
‑
Mg
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LDHs水滑石。3.根据权利要求2所述的含铬镁水滑石材料复合生物炭的固体催化剂的制备方法，其特征在于，所述的镁盐为MgCl2·
6H2O，铬盐为Cr...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡双岚，苏慧慧，黄俊生，孟飞，黄冬婷，
申请(专利权)人：广东省科学院生物与医学工程研究所，
类型：发明
国别省市：