[发明专利]一种用于环氧化物环加成反应的催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于多相催化领域，一种用于环氧化物环加成反应的催化剂，由氧化石墨烯和类水滑石组成，其中氧化石墨烯在催化剂中的质量占比为10~50 wt%，类水滑石在催化剂的质量占比为40~90 wt%，氧化石墨烯上含有大量的‑OH、‑COOH、C=O等电负性基团，类水滑石层板阳离子由M²⁺和M³⁺组成，其中M²⁺/M³⁺摩尔比为2.0~5.0。本发明还涉及该催化剂的制备方法和应用。

技术领域

本发明属于多相催化领域，涉及一种用于环氧化物和CO₂进行环加成反应生成环状碳酸乙烯酯和/或碳酸酯的类水滑石-氧化石墨烯层状复合催化剂及其制备方法和应用。

技术背景

二氧化碳（CO₂）是引起全球变暖的最主要的温室气体，全球年排放量已达数百亿吨，对其回收、固定以及资源化利用，已成为世界各国密切关注的问题。从资源化角度出发，CO₂是世界上最为丰富和廉价的碳一(C1)资源，因此，大力发展CO₂绿色化利用技术，开发绿色、高新的精细化工产业链，提高产品的附加值，具有重要的经济和环境意义。

环状碳酸酯是一种重要有机化工产品和性能优良的高沸点极性溶剂，以环氧化物和 CO₂ 为原料通过环加成反应制备环状碳酸酯是一条环境友好且原子经济的工艺路线。目前应用于环氧化物环加成反应的催化剂有均相催化剂和多相催化剂。均相催化剂有离子液体、季铵盐、季磷盐、膦卤化物、金属卟啉化合物等均相催化剂（Catal. Sci.Technol,2014, 4, 1513; Curr. Org. Chem. 2015, 19, 681; J. Catal. 2016, 37, 826）。均相催化剂虽然具有较好的催化性能，但催化剂和产品分离存在问题。多相催化剂有金属氧化物催化剂、分子筛及其粘土类催化剂、高分子催化剂、负载型有机碱催化剂、负载型离子液体催化剂等。迄今报道的多相催化剂制备过程复杂，需要有毒的有机溶剂，制备成本较高，且催化剂的稳定性较差。因此，急需寻找一种制备工艺简单，催化剂成本低且催化剂稳定性高的非均相催化剂。

环氧化物和CO₂进行环加成反应需要同时活化环氧化物和CO₂。其中环氧化物的活化需要催化剂具有能和环氧化物上的氧原子形成氢键的-OH或-NH等，同时需要催化剂具有负电性的亲核基团如-COOH或卤素离子等。CO₂的活化需要碱性基团，如有机强碱、超强碱和醇双组分体系、氮杂环卡宾等。

类水滑石材料是一种具有层状结构的双羟基复合金属氢氧化物，由带正电的层板阳离子和层间阴离子组装而成，具有主体层板金属离子组成可调变性、层间阴离子客体种类和数量可调等特点，是一种具有广阔前景的新型碱性催化材料。氧化石墨烯是石墨烯的功能化衍生物，含有大量含氧官能团（C=O，C-OOH，C-OH），能插入到类水滑石层板间形成类水滑石-氧化石墨烯层状复合材料，该类材料具有较强的碱性，能实现CO₂的有效活化（Chem. Mater. 2012, 24, 4531）。迄今为止，未见有相关类型的催化剂应用于环加成反应。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有较强碱性的类水滑石-氧化石墨烯的层状复合催化剂，应用于环氧化物和CO₂的环加成反应，解决目前非均相催化剂制备流程复杂、制备成本高及催化剂稳定性差的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种用于环氧化物环加成反应的催化剂，由氧化石墨烯和类水滑石组成，其中氧化石墨烯在催化剂中的质量占比为10~50 wt%，类水滑石在催化剂的质量占比为40~90 wt%，氧化石墨烯上含有大量的-OH、-COOH、C=O等电负性基团，类水滑石层板阳离子由M²⁺和M³⁺组成，其中M²⁺/M³⁺摩尔比为2.0~5.0。