一种非金属催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种非金属催化剂及其制备方法和应用，属于催化剂制备技术领域；所述非金属催化剂以1,4

【技术实现步骤摘要】
一种非金属催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于催化剂制备
，具体涉及一种非金属催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]聚氯乙烯(PVC)是世界上使用第二广泛的树脂，是最重要的通用塑料之一。PVC具有物美价廉的特点，综合性能优越，可广泛应用于日常用品和工业应用，如建筑材料、地板革、包装材料、电线电缆、生活用品等。氯乙烯单体(VCM)是PVC生产的主要原材料。近年来，由于原油价格的上涨，电石
‑
乙炔法合成氯乙烯成为氯乙烯生产的重要替代工艺。但是，传统的HgCl2催化剂对生物和环境具有挥发性和毒性，不符合可持续发展的概念。因此，探索一种环境友好的催化剂来代替HgCl2催化剂在乙炔氢氯化反应中的应用具有重要的现实意义。
[0003]研究表明，过渡金属如Au、Pt、Pd、Ru、和Cu基催化剂可以有效地催化乙炔氢氯化反应，但由于金属催化剂成本高、易损失、金属资源储量有限且污染危害环境等原因限制了其工业化推广应用，相比之下，非金属碳基催化剂，具有环境友好、较好的成本效益等优势。目前，虽然国内外课题组对非金属碳基催化剂的研究有一定程度改进，但仍存在催化活性较弱、易积碳、催化剂产率低和结构不规则等问题。因此，需要开发一种具有良好催化活性且能够乙炔氢氯化反应的非金属催化剂。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种非金属催化剂及其制备方法和应用；所述非金属催化剂以1,4
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二氨基苯和3,3
’
,4,4
’‑
二苯甲酮四甲酸二酐的聚合产物为前驱体，通过简单的水热法制备了聚酰亚胺中间体，经过退火后制备得到；所述非金属催化剂是以介孔为主的碳基催化剂，呈现玫瑰花状纳米球特殊结构；所述非金属催化剂具有很好的催化活性，在催化乙炔氢氯化反应制备氯乙烯中具有很好的应用。
[0005]本专利技术首先提供了一种非金属催化剂，所述非金属催化剂的结构式为：
[0006]其中n为聚合度，n为正整数。
[0007]优选地，所述非金属催化剂为以介孔为主的碳基催化剂，所述非金属催化剂的介孔比为41.38％
‑
87.5％，平均孔径为3.08
‑
11.53nm；所述非金属催化剂为玫瑰花状纳米球特殊结构，表现出更高的缺陷程度；所述非金属催化剂中含氮量为2.7
‑
4.54％。
[0008]本专利技术还提供了上述非金属催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
[0009]将1,4
‑
二氨基苯溶于DMF中，向其中加入3,3
’
,4,4
’‑
二苯甲酮四甲酸二酐得到混
合溶液，将混合溶液搅拌反应，反应结束后在180℃下水热反应12h，反应结束后抽滤并在真空条件下进行干燥，将干燥产物退火处理得到碳基材料；
[0010]将碳基材料在盐酸溶液中搅拌，抽滤后干燥得到所述非金属催化剂。
[0011]优选地，所述1,4
‑
二氨基苯和3,3
’
,4,4
’‑
二苯甲酮四甲酸二酐的摩尔比为1:1。
[0012]优选地，所述搅拌反应的条件为室温下搅拌8～12h，直至混合溶液的颜色由橘红色变化至黄色。
[0013]优选地，所述退火的条件为：室温下通30min退火保护气氛，再以10℃/min的升温速率升温至350℃并保持60min，再以10℃/min的升温速率分别升温至600～1000℃并保持60min；所述退火保护气氛包括氮气或氨气。
[0014]优选地，所述退火温度为800℃。
[0015]所述盐酸溶液的浓度为0.5
‑
2M，优选为1M。
[0016]优选地，所述碳基材料和盐酸溶液的体积用量比为1：6。
[0017]所述碳基材料在盐酸溶液中搅拌的时间为0.5
‑
2小时，优选为1.5小时。
[0018]本专利技术还提供了上述非金属催化剂在催化乙炔氢氯化反应制备氯乙烯中的应用。
[0019]优选地，所述应用为：将乙炔与氯化氢混合，在装填有上述非金属催化剂的固定床反应器中进行反应。
[0020]优选地，所述乙炔与氯化氢的体积比为1:1.5，所述乙炔的空速控制范围为30
‑
50h
‑1；所述反应温度为180℃。
[0021]本专利技术所述乙炔氢氯化反应制备氯乙烯的过程中主要涉及到以下反应：
[0022]主反应：C2H2+HCl
→
CH2＝CHCl
[0023]非聚合副反应：
[0024]CH2＝CHCl+HCl
→
CH3CHCl2[0025]CH2＝CHCl+HCl
→
CH2ClCH2Cl
[0026]聚合副反应：
[0027]2CH2＝CHCl
→
CH2ClCH＝CCl
‑
CH3[0028]2C2H2→
CH2＝CH
‑
C≡CH
[0029]其中，主反应受聚合副反应的影响较大，非聚合反应副反应对主反应的影响很小，上述主、副反应均为放热反应，但聚合副反应的热效应较主反应大，较高的温度更有利于抑制聚合副反应的进行，提高主反应的选择性并减少积炭，但在高温存在能源浪费的问题。综合考虑温度对聚合副反应以及成本问题的影响后，反应温度优选为180℃。
[0030]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0031]本专利技术中制备的非金属碳催化剂成本低廉，还可以在低空速下表现出优秀的催化活性及稳定性，氮原子的引入调整了纳米碳材料的电子结构以形成新的电子供体或电子受体位点，从而提高碳材料对反应物的吸附性能。碳材料具有丰富的表面官能团，易于改性的孔结构和易于调控的杂原子掺杂比例。
[0032]本专利技术在制备非金属催化剂的过程中在600～1000℃对非金属催化剂进行退火，退火温度升高导致催化剂的结构被破坏，微孔坍塌形成更大的介孔结构，能够使碳基催化剂的介孔比和平均孔径增大。介孔占比提高可以增加缺陷位点，有利于反应物和产物的扩散。退火温度升高同时也影响催化剂的含氮量，催化剂的含氮量为2.7
‑
4.54％，退火温度越
高，含氮量越低，其中含氮量2.93％的催化剂表现出最佳催化活性；含氮量更高的退火温度低，离子导电性弱，介孔占比小，缺陷程度低，影响电子转移和物质传递，导致催化剂活性降低。
[0033]与现有的活性炭催化剂相比，本专利技术的非金属碳基催化剂经过水热自组装成功制备出花簇状球形催化剂，同时具备纳米片和纳米球的两种结构特征，具有更高的离子导电性，反应物1,4
‑
二氨基苯将大量杂原子氮成功引入催化剂中，均匀分布在催化剂表面。氮的引入可以提高催化剂的导电性并促进吸附材料的表面扩散。此外，相比活性炭催化剂，本专利技术的催化剂具有更大的孔道结构和介孔占比，增本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非金属催化剂，其特征在于，所述非金属催化剂的结构式为：n为聚合度，n为正整数。2.根据权利要求1所述的非金属催化剂，其特征在于，所述非金属催化剂为以介孔为主的碳基催化剂，所述非金属催化剂为玫瑰花状纳米球特殊结构；所述非金属催化剂中含氮量为2.7
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4.54％。3.权利要求1所述的非金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将1,4
‑
二氨基苯溶于DMF中，向其中加入3,3
’
,4,4
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二苯甲酮四甲酸二酐得到混合溶液，将混合溶液搅拌反应，反应结束后在180℃下水热反应12h，反应结束后抽滤并在真空条件下干燥，将干燥产物退火处理得到碳基材料；将碳基材料在盐酸溶液中搅拌，抽滤后干燥得到所述非金属催化剂。4.根据权利要求3所述的非金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述1,4
‑
二氨基苯和3,3
’
,4,4
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二苯甲酮四甲酸二酐的摩尔比为1:1。5.根据权利要求3所述的非金属催化剂的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海洋，郭子瀚，张金利，董延召，谢东阳，李建，李峰，张前刚，亓继，杨李洁，代斌，
申请(专利权)人：石河子大学，
类型：发明
国别省市：