一种花状超薄钴铁类水滑石纳米片的制备方法及其电催化氧化苯甲醇制苯甲酸应用技术

本发明专利技术公布了一种花状超薄钴铁类水滑石纳米片的制备方法及其电催化氧化苯甲醇制苯甲酸应用。本发明专利技术采用共沉淀法，通过引入甲酰胺抑制片层组装，制备花状超薄钴铁类水滑石纳米片。所制备的类水滑石纳米片层厚度为5

【技术实现步骤摘要】
一种花状超薄钴铁类水滑石纳米片的制备方法及其电催化氧化苯甲醇制苯甲酸应用


[0001]本专利技术属于催化剂制备
，具体涉及一种花状超薄钴铁类水滑石纳米片的制备方法及其电催化氧化苯甲醇制苯甲酸应用。

技术介绍

[0002]苯甲醇选择性氧化是典型的醇类氧化反应，其催化氧化得到的苯甲酸是一类具有重要应用价值的有机化合物，在精细化学品、药物化学及功能高分子等领域得到了广泛的应用。传统的合成路线通常是在高温高压下进行的，存在催化剂成本高，反应条件苛刻，能耗大，后续产品分离提取困难，环境负担重等一系列问题，与当前的绿色发展理念相背离。与能耗巨大的热催化和太阳能利用效率低的光催化相比，电催化氧化因其绿色环保、高效可靠等优势而被广泛研究。
[0003]电催化材料是电催化氧化苯甲醇的核心关键，起到提高化学反应速率和降低能耗的作用。水滑石（LDHs）作为一类二维无机功能材料，具有特殊的结构可调变性特点成为极具前景的电催化剂。但是，受限于传统水滑石材料活性位点不足、堆叠严重易团聚等缺点，导致其催化活性不理想，极大地限制了其电催化应用性能。因此，研发制备低成本、高导电性及高活性的催化剂，对于实现电催化氧化苯甲醇制苯甲酸具有极其重要的实际意义。
[0004]本专利技术通过调控主体层板金属元素比例、层板厚度，以进一步实现对材料电子、能带结构的调控。利用花状超薄钴铁类水滑石纳米片的结构，暴露出更多的催化活性位点，促进电解质的接触传输，从而实现高效的电催化性能。从构筑高催化活性位点的角度出发，将价态丰富的钴元素与导电性能优异的铁元素引入水滑石的主体层板中，利用金属阳离子可控组分间的协同作用优势调控电催化剂的局部结构效应，以提高催化剂电催化氧化苯甲醇制苯甲酸的催化活性。

技术实现思路

[0005]为了克服传统水滑石活性位点不足、堆叠严重、易团聚等问题，本专利技术目的在于提供一种花状超薄钴铁类水滑石纳米片的制备方法及其电催化氧化苯甲醇制苯甲酸应用。采用共沉淀法，通过引入甲酰胺抑制片层组装，制备花状超薄钴铁类水滑石纳米片；其纳米片层厚度为5 ~ 12 nm，纳米尺寸大小为30 ~ 50 nm，具有孔隙度高，比表面积大的特点。本专利技术利用花状超薄钴铁类水滑石纳米片的结构优势，使得水滑石具有大的有效暴露表面积，创造了更多有利于电解质离子扩散的通道，有利于传质，从而为过渡金属基催化剂实现高效苯甲醇电催化氧化制苯甲酸提供了可行方案，具有显著的进步性。
[0006]具体步骤如下：
[0007]（1）称取可溶性金属盐Co(NO3)2·
6H2O和Fe(NO3)3·
9H2O溶于10 mL去离子水中，Co
2+
和Fe
3+
的摩尔比范围为1:1 ~ 3:1,在恒温下进行磁力搅拌10 ~ 15 min充分溶解，获得橘红色金属盐溶液；
[0008]（2）将NaNO3和层间抑制剂甲酰胺溶于去离子水中，形成底液；
[0009]（3）将步骤（2）获得的底液在水浴60 ~ 80 o
C条件下搅拌，同时滴加步骤（1）获得的橘红色金属盐溶液和NaOH溶液，使体系pH值始终保持在10
±
0.5的碱性环境中；
[0010]（4）待橘红色金属盐溶液全部滴加完成，快速陈化反应5 min底液颜色变成黄褐色后，离心处理获得沉淀物；
[0011]（5）将步骤（4）获得的沉淀物用去离子水和无水乙醇交替离心洗涤，洗涤至上层清液pH值为7 ~ 8，于60 o
C下进行真空干燥6 h，制得花状超薄钴铁类水滑石纳米片。
[0012]本专利技术关于花状超薄钴铁类水滑石纳米片应用于电催化氧化苯甲醇制苯甲酸的技术方案为：将该纳米片与Nafion膜溶液混合分散于无水乙醇中，超声处理后滴涂在经预处理泡沫镍基底上，置于60 o
C真空条件下干燥6 h得到花状超薄钴铁类水滑石纳米片工作电极。将上述制备得到的花状超薄钴铁类水滑石纳米片工作电极应用于电催化氧化苯甲醇制苯甲酸反应中，该催化反应于H型双电解槽中进行，两个电解槽之间用质子交换膜分离。反应过程中使用三电极体系，分别以负载催化剂的泡沫镍为工作电极，铂网为对电极，氯化银电极为参比电极。在阳极电解槽进行苯甲醇电催化氧化反应，其电解液为氢氧化钾与苯甲醇混合溶液；在阴极电解槽中使用氢氧化钾作为电解液，在电催化反应过程中阴极发生析氢反应。
附图说明
[0013]图1为本专利技术实施例1制得的花状超薄钴铁类水滑石纳米片的扫描电子显微镜图。
[0014]图2为本专利技术实施例1制得的花状超薄钴铁类水滑石纳米片电催化氧化苯甲醇制苯甲酸，在不同时间下的各组分浓度变化图。
具体实施方式
[0015]电催化氧化苯甲醇制苯甲酸反应在H型双电解槽中进行，两个电解槽之间用Nafion
‑
117质子交换膜分离。反应过程中使用三电极体系，以负载催化剂的泡沫镍为工作电极，铂网为对电极，氯化银电极为参比电极。在阳极电解槽进行苯甲醇电催化氧化反应，其电解液为1.0 M 氢氧化钾 + 10 mM苯甲醇溶液；在阴极电解槽中使用1.0 M 氢氧化钾作为电解液，在电催化反应过程中阴极发生析氢反应。
[0016]使用配备有紫外检测器的赛默飞U3000高效液相色谱仪（HPLC）对苯甲醇及其催化氧化产物进行定量分析。具体检测参数如下：液相色谱柱为C18(2)型，流动相为0.02 M甲酸水溶液和乙腈（体积比为HCOOH/CH3CN = 70:30），流速为1 mL/min；检测柱温度为35 o
C；检测波长为260 nm。利用外标法对组分浓度进行定量分析，首先测得各组分的峰面积，通过标准工作曲线查取组分浓度。此外，使用以下公式计算苯甲醇转化率和产物选择性：
[0017]苯甲醇转化率（%）=[(初始苯甲醇的摩尔量 － 最终苯甲醇的摩尔量) / 初始苯甲醇的摩尔量]×
100%；
[0018]苯甲酸选择性（%）=[(生成苯甲酸的摩尔量 / 生成所有产物的摩尔量)]×
100%；
[0019]苯甲醛选择性（%）=[(生成苯甲醛的摩尔量 / 生成所有产物的摩尔量)]×
100%；
[0020]为便于更好地理解本专利技术，通过以下实施例加以说明，这些实施例属于本专利技术的保护范围，但不限制本专利技术的保护范围。
[0021]实施例1：
[0022]（1）称取可溶性金属盐0.6 mmol Co(NO3)2·
6H2O和0.2 mmol Fe(NO3)3·
9H2O溶于10 mL去离子水中。在恒温下进行磁力搅拌15 min充分溶解，获得橘红色金属盐溶液。
[0023]（2）将0.2 mmol NaNO3溶解在含有3 mL甲酰胺（23 vol%）和7 mL去离子水的混合溶液中配置形成底液。
[0024]（3）将步骤（2）获得的底液在水浴80 o
C条件下搅拌，同时滴加步骤（1）获得的橘红色金属盐溶液和0.5 mol/L NaOH溶液，使体系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种花状超薄钴铁类水滑石纳米片的制备方法，其特征在于,具体步骤为：（1）称取可溶性金属盐Co(NO3)2·
6H2O和Fe(NO3)3·
9H2O溶于10 mL去离子水中，Co
2+
和Fe
3+
的摩尔比范围为1:1 ~ 3:1,在恒温下进行磁力搅拌10 ~ 15 min充分溶解，获得橘红色金属盐溶液；（2）将NaNO3和层间抑制剂甲酰胺溶于去离子水中，形成底液；（3）将步骤（2）获得的底液在水浴60 ~ 80 ℃条件下搅拌，同时滴加步骤（1）获得的橘红色金属盐溶液和NaOH溶液，使体系pH值始终保持在10
±
0.5的碱...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘何俊，李贻轩，许艳旗，李存军，王林江，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：