[发明专利]一种铁-钠碳材料催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种铁‑钠碳材料催化剂及其制备方法和应用，铁‑钠碳材料催化剂包括作为载体的碳以及活性组分的铁和钠，其中铁含量8‑15wt.％、钠含量为2‑5wt.％、其余为碳载体；本发明铁‑钠碳材料催化剂，其原料碳来源广泛，绿色环保，能够有效降低降解成本，适于大规模工业应用，而且本发明铁‑钠碳材料催化剂与超临界体系配合，对降解木质素转化率较高，其转化率可达到80％以上，取代苯酚选择性超过60％，其中单体愈创木酚选择性超过45％；制备方法的工艺简单，容易实施，具有非常好的应用前景；催化剂和超临界体系协同降解木质素的方法，在无水乙醇中降解木质素，反应条件易得，具有成本低、操作简单、绿色环保等优点，适用于大规模工业化应用。

技术领域

本发明涉及催化剂和木质素降解技术领域，具体是一种铁-钠碳材料催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

木质素占生物量的15％-30％，是一种交联的芳香基杂多聚合物，主要作用是支撑植物的水分运输和结构完整性。木质素是主要存在于植物木质部分的复杂高分子化合物，与纤维素和半纤维素一起构成了生物质的三大组分。木质素是由对羟基苯基(H)、愈创木基(G)和丁香基(S)组成的酚醛聚合物，然后通过各种C-O和C-C键连接在一起，包括α-o-4、α-α、β-o-4、β-β和4-O-5键。木质素在自然界含量丰富，且来源广泛，每年从制浆造纸工业蒸煮废液中提取出的工业木质素有近5000万吨，绝大部分作为廉价燃料烧掉或直接排放，这不仅造成资源浪费而且污染环境。从木质素出发催化解聚制备单酚类高附加值精细化学品和芳香类化合物等高品位生物燃料，可以部分替代以化石燃料为原料的生产过程，是生物质资源全组分高效综合利用的重要组成部分。

目前木质素的转化方法主要包括化学法和生物法。化学法主要分为催化氢解、氧化、水解以及生物酶解等方法，催化氢解面临的主要问题有：解聚效率较低且产物复杂，难以定向转化。产物氧含量高、热值较低且粘度大，不能作为燃料直接应用。此外，催化氢解过程中使用贵金属作为催化剂成本高、缺少酸碱活性位点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁-钠碳材料催化剂及其制备方法和应用，铁-钠碳材料催化剂包括作为载体的碳以及负载在所述碳表面的作为活性组分的铁和钠，实现木质素生物质的高效定向利用，从木质素到分子平台化合物转化，低成本、高酸碱活性位点的物质作为载体，负载温和条件下对碳-碳键、醚键、碳-氧键具有强断键选择性的金属元素，增加生物质催化转化的产率，适用于大规模的工业应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种铁-钠碳材料催化剂，铁-钠碳材料催化剂包括作为载体的碳以及活性组分的铁和钠，其中铁含量8-15wt.％、钠含量为2-5wt.％、其余为碳载体。

铁-钠碳材料催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：首先称取质量比为1.6-1.9的铁和钠前驱体盐溶解于去离子水中形成溶液；随后将该溶液在60℃下搅拌6h；在旋转蒸发仪中蒸干得到固体粉末；随后在甲烷混合气的条件下，进行气相渗碳；将得到的铁-钠材料催化剂用1M的HCl洗涤一次，去除没有相互作用的官能团和自由基；用去离子水洗涤三次，无水乙醇洗涤三次；最终将得到的固体在真空干燥箱中干燥12h，既得铁-钠碳材料催化剂。

进一步的，所述旋转蒸发仪中旋转蒸发是在38-48℃、冷凝液冷凝下进行的；冷凝液所使用的是醇类混合溶剂，包括乙醇，乙二醇中的一种。

进一步的，所述铁的前驱体盐包括富马酸亚铁、柠檬酸铁铵、乙二酸四乙酸铁钠；钠的前驱体盐包括：胆酸钠盐、丁酸钠、间甲酚紫钠盐、菲嗪二钠盐。

进一步的，所述气相渗碳是在5-25％甲烷混合气体氛围下，且混合气流速为0.1-0.8m/s，渗碳时间为1-4小时。

进一步的，所述真空干燥是分步进行的，先将泥浆状态的老化悬浊液以60-95℃的条件下，放在金属浴中干燥12-20h；随后再将其放入40摄氏度真空干燥箱中干燥24-36h。