[发明专利]Fe3O4/CuO/pSiO2催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于磁性纳米催化材料领域，涉及一种具有核壳结构的Fe₃O₄/CuO/pSiO₂磁性复合催化材料的制备及其在烯烃环氧化反应中的应用。

背景技术

烯烃环氧化反应是一类重要的催化氧化反应，其产物“烯烃环氧化物”被誉为“最有价值的有机中间体”，其下游产品被广泛用于石油化工、高分子合成、有机合成、精细化工、生物医药等众多领域，应用范围广泛，市场需求大，可产生巨大的经济效益。但是其生产过程必须依赖催化材料，以实现保护环境、简化工艺、缩短反应时间、提高产量、降低生产成本等一系列目的。因此，烯烃环氧化用催化剂的制备与创新一直是备受关注的一个研究领域。

由于均相催化剂存在不易从反应体系分离，难以循环利用的严重缺陷，近年来，负载型非均相催化剂以其较易分离的优势得到了长足的发展。其中，磁性催化材料又以其独特的磁响应功能，大大降低了分离难度，只需借助外加磁场即可实现催化材料的快速高效回收，极大提高催化剂的循环使用寿命，有效降低材料生产成本。因而，磁性催化材料的研究已经成为催化领域新的热点。

氧化铜是一类重要的过渡金属氧化物，在催化、气敏传感器、太阳能转换以及高温超导等方面有着广泛的应用。在烯烃环氧化催化领域，由于氧化铜本身具有较窄的能带隙，催化活性较高，价格低，污染小，因而引起了科研工作者越来越多的关注。Linping Xu 等人（Chem. Mater. 2009, 21, 1253–1259）采用回流法制备得到了海胆状的CuO团簇，其对烯烃环氧化反应有一定的催化效果（最优结果：1 mmol烯烃，反应24h，其中，环辛烯的转化率为64.3%，选择性为100%）。Guohong Qiu 等人（J. Phys. Chem. C 2012, 116, 468–477）制备了球形和花形两种不同形貌的氧化铜，以1 mmol 烯烃为底物，反应24h，苯乙烯的转化率为100%，选择性只有45%。以上两种研究的催化反应时间较长，且催化剂不易回收，分散性和循环效果均较差。Chaoqiu Chen研究小组（J. Mater. Chem., 2011, 21, 5774–5779）制备得到了CuO外面包覆介孔SiO₂的核壳型催化剂，同样以1 mmol 烯烃为底物，反应8h，环辛烯的转化率和选择性分别为66.5%和100%；反应2h，苯乙烯的转化率和选择性分别为88.6%和61.2%。结果表明，催化剂的催化活性和循环效果都有了显著的改善。但是，催化剂的回收需要借助过滤、离心等传统的分离技术，耗时较长，对于纳米级材料，需要的设备更复杂，分离难度增大，催化剂流失也比较严重。

综上所述，将磁性材料在快速高效分离回收方面的功能与复合材料在催化性能上的优点有效结合，会产生良好的优势耦合效应。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的在于结合磁性材料的磁响应性和CuO/SiO₂材料的催化性能等方面的优势，提供一种核壳型Fe₃O₄/CuO/pSiO₂（porous silica）磁性复合催化材料及其制备方法，并以苯乙烯和环辛烯的环氧化反应作为探针反应对该新型催化剂的催化性能进行探讨。

本发明提供一种Fe₃O₄/CuO/pSiO₂催化剂，其中“p”表示多孔，“pSiO₂”表示多孔SiO₂；所述Fe₃O₄/CuO/pSiO₂催化剂是以经过表面修饰的Fe₃O₄作为磁性功能核心，CuO作为活性成分，多孔SiO₂作为保护层的核壳结构磁性复合催化剂。

上述Fe₃O₄/CuO/pSiO₂催化剂的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：