[发明专利]一种由静电纺丝制备酸碱双功能纳米纤维材料的方法

说明书

本发明公开了一种由静电纺丝制备酸碱双功能纳米纤维材料的方法，该方法以茶多酚为金属离子固载剂，采用静电纺丝技术将活性金属离子，如：Hf⁴⁺、Zr⁴⁺、Ti⁴⁺等负载到聚丙烯腈(PAN)纳米纤维上，得到同时具有路易斯酸(LA)和路易斯碱(LB)位点的双功能纳米纤维材料(M@PAN‑N，其中M为多种活性金属，N为茶多酚中儿茶素类化合物)。该纳米纤维材料具有高比表面积和高孔隙率，其在催化乙酰丙酸(LvA)等生物质羰基化合物及石油基羰基化合物的转移加氢还原过程中表现出极高的反应活性。由于茶多酚成分中存在含有大量羟基的儿茶素类化合物，能有效与金属离子之间配位，从而极大的降低了纳米纤维材料在使用过程中活性金属的淋失，使得M@PAN‑N表现出稳定性和可回收性。

技术领域

本发明属于纳米材料制备和催化领域，具体涉及一种由静电纺丝制备酸碱双功能纳米纤维材料的方法。

背景技术

面对化石资源枯竭的压力以及化石资源过度使用所引发的环境问题，近年来木质纤维素生物质衍生平台化合物催化制备高附加值燃料与化学品的研究备受关注。乙酰丙酸(LvA)是基于美国能源部指定的生物质资源的十大平台化合物之一，被认为是联系生物质资源与石油工业之间的桥梁和关键，可将LvA通过还原方式转化为另一种通用平台化合物γ-戊内酯(GVL)，其不仅可作为优良的燃料添加剂、绿色溶剂和有价值的化学品前体，而且还用于纤维素酯和合成纤维的染色。

目前，LvA的催化还原多选用转移加氢的方式，以醇作为氢供体和溶剂，避免了使用具有爆炸性的H₂，使得该方法更具有安全性和经济性。基于以醇为氢供体的生物质基化合物的转移加氢，一些金属醇盐、金属配合物、水滑石、金属氧化物或氢氧化合物、金属-有机混合物和各种沸石催化剂已经被广泛的使用。然而，这些催化剂仍然存在一些不可避免的缺点，例如复杂的制备方法、高成本的不可再生的原料、高的反应温度、长的反应时间、目标产物的低选择性以及回收效果差。从已有的研究可以发现，催化剂的载体结构对催化性能有很大的影响，常用的载体有活性炭、石墨、分子筛及沸石等。除上述载体外，目前有人通过静电纺丝技术制备出一维的具有较高比表面积、较高孔隙率的纳米纤维，可作为催化剂良好的支持材料。在中国专利CN112023982A中，利用锆负载PAN制得的复合材料，可以很好地将糠醛催化还原为糠醇，转化率和得率可达90％以上，但活性金属离子在反应过程中存在大量淋失的现象。Zhou Shenghui(2019)等以Hf-LigS为催化剂，形成以Ar-O-Hf和Hf-O-Hf为主的键合结构，并作为催化5-羟甲基糠醛的主要活性成分，催化剂回收利用10次后活性基本不变，但其制备工艺较为复杂，不利于催化剂质量的控制以及工业化生产。为此，寻找一种金属固载剂以形成稳定的键合结构成为解决金属离子淋失问题的关键。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题与不足，本发明提供一种由静电纺丝制备酸碱双功能纳米纤维材料的方法。选用茶叶中多羟基酚类化合物的复合物茶多酚作为金属固载剂，通过静电纺丝技术将金属离子负载到聚丙烯腈纳米纤维上，该材料具有高比表面积、高孔隙率的优势，同时形成稳定的Hf-O-N键合结构，具备优异的催化活性和回收性能，该材料的实际运用能有效地减少活性金属离子在使用过程中淋失，为生物质基的实际应用提供理论基础和技术指导。

为了达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种由静电纺丝制备酸碱双功能纳米纤维材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：以茶多酚为金属离子固载剂，采用静电纺丝技术将活性金属离子，负载到聚丙烯腈(PAN)纳米纤维上，得到同时具有路易斯酸和路易斯碱位点的双功能纳米纤维材料，由下式表示M@PAN-N，其中M为多种活性金属，N为茶多酚中儿茶素类化合物；

S2：将金属化合物、PAN以及儿茶素类物质分别溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，然后进行共混得到前驱体纺丝液；

S3：通过静电纺丝技术制备出具有高比表面积、高孔隙率的酸碱双功能纳米纤维材料；