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碳负载金属催化剂及其制备方法和应用与流程
本发明涉及金属催化剂技术领域，具体涉及一种碳载金属催化剂及其制备方法与应用。
背景技术：
金属催化剂常用于催化加氢还原反应，例如三甲基苯醌是重要的医药中间体，经催化加氢还原可合成三甲基对苯二酚，而三甲基对苯二酚是合成维生素E的重要中间体。工业生产中采用钯碳、铂碳催化剂催化三甲基苯醌加氢反应得到三甲基对苯二酚，进而生产维生素E。商品化的钯碳、铂碳催化剂虽然催化性能好，但由于贵金属含量高，制备回收工艺复杂，价格昂贵，不利于其广泛应用。
技术实现要素：
基于此，需要提供一种催化性能良好、成本低廉的碳载金属催化剂及其制备方法和应用，以解决如何在保证良好催化性能的同时降低成本的问题。
一种碳载金属催化剂，包括碳载体和负载于碳载体表面的高熵合金颗粒，所述高熵合金颗粒包括钌、铁、钴、镍、铂。
经实验验证，在同样的金属负载量条件下，本发明技术方案上述碳载金属催化剂的催化性能与钌-铂-碳双贵金属催化剂相差不大。与铁-铂、镍-铂、钴-铂等双金属碳基催化剂相比，本发明上述碳载金属催化剂具有更优异的催化性能和更稳定的循环使用性能。同时，由于高熵合金颗粒中铁、钴、镍等金属元素的成本相对较低，使得本发明碳载金属催化剂的成本大大降低。
在其中一个实施例中，所述高熵合金粒子在碳载体上的负载量为4.5％～5.5％。
在一个实施例中，高熵合金粒子中，钌、铁、钴、镍和铂的摩尔比为（5-35）：（5-35）：（5-35）：（5-35）：（5-35）。
在一个实施例中，高熵合金粒子中钌、铁、钴、镍和铂的摩尔比为20:20:20:15:5。
上述任一项碳载金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：
将碳载体、钌前体、铁前体、钴前体、镍前体、铂前体和还原剂混合均匀，在200～230℃下反应完全后进行固液分离，保留固体，得到碳载金属催化剂；碳载金属催化剂包括碳载体和负载在碳载体表面的高熵合金颗粒，高熵合金颗粒包括钌、铁、钴、镍和铂。
本发明技术方案的碳载金属催化剂的制备方法制备工艺简单，设备要求低，成本低，具有较高的工业生产价值；通过上述制备方法制备的碳载金属催化剂催化性能好，成本低，具有较高的工业生产价值。
在一个实施例中，钌前体为乙酰丙酮钌，铁前体为乙酰丙酮铁，钴前体为乙酰丙酮钴(ii)，镍前体为乙酰丙酮镍，并且铂前体为乙酰丙酮铂。
优选的，所述还原剂为甲醇和乙醇的混合溶液。
在一个实施例中，甲醇和乙醇的混合溶液中甲醇和乙醇的体积比为1:(0.5-2)。
在一个实施例中，固液分离操作为：向反应后的混合溶液中加入乙醇并过滤至少两次，再加入去离子水并过滤至少一次。
在一个实施例中，在固液分离之后，还包括以下步骤：采用真空干燥将固体在60℃至80℃下干燥6h至10h。
上述任意一种碳载金属催化剂在催化加氢反应中的应用。
上述任一种碳载金属催化剂用于催化加氢反应中均能发挥良好的催化作用，有利于提高催化加氢反应的效率。
一种三甲基对苯二酚的制备方法，包括以下步骤：
将上述任意一种碳载金属催化剂、有机溶剂、三甲基苯醌和水混合均匀，然后通入氢气，在100～130℃下反应完成后得到三甲基对苯二酚。
本发明技术方案的三甲基对苯二酚的制备方法中，碳载金属催化剂对三甲基苯醌的加氢反应具有良好的催化效果，有利于提高反应的效率。
在其中一个实施例中，碳载金属催化剂、有机溶剂、三甲基苯醌和水的质量比为（0.020g-0.022g）：（39.25g-39.4g）：（0.75g-0.825g）：（0.58g-0.75g）。
在一个实施例中，有机溶剂是异丙醇。
附图的简要说明
图1为本发明实施例3制备的碳载金属催化剂的X射线衍射图；
图2为本发明实施例1至实施例5制备的碳载金属催化剂与三甲基苯醌的转化率与产物选择性关系图；
图3为本发明实施例3的碳载金属催化剂催化三甲基苯醌加氢反应中三甲基苯醌的转化率和产物选择性与催化剂循环次数的关系图。
图4为本发明实施例3的碳载金属催化剂与对比例1至4的碳载双金属催化剂与三甲基苯醌的转化率关系图。
详细方法
为了使本发明的上述目的、特征和优点更加明显和易于理解，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。在以下描述中，阐述了许多具体细节，以利于全面理解本发明。然而，本发明可以以许多不同于本文描述的方式实现，并且本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做出类似的改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本实施例的碳载金属催化剂包括碳载体和负载于碳载体表面的高熵合金颗粒，其中，高熵合金颗粒包括钌、铁、钴、镍和铂。
上述实施例的碳载金属催化剂以分子式/c表示。
所述碳载体为活性炭或石墨烯，进一步地，将高熵合金颗粒负载在活性炭或石墨烯等碳载体上，由于活性炭或石墨烯具有较高的比表面积和优良的稳定性，可以在一定程度上提高碳载金属催化剂的催化性能。
其中，高熵合金（High-）简称HEA，是由五种或五种以上等量或近似等量的金属形成的合金。与传统合金相比，高熵合金具有更高的混合熵。与双金属合金相比，高熵合金组分更多，不仅能在很大程度上调控电子和几何结构，还可以作为构建性能优异的催化剂的平台。
本发明的高熵合金粒子包括五种金属元素，分别为贵金属和非贵金属，即钌、铁、钴、镍和铂，各元素的原子百分比优选为5％～35％。与传统的钌碳、铂碳等贵金属催化剂相比，本发明的高熵合金粒子引入了铁、钴、镍三种非贵金属组分，大大降低了碳载金属催化剂的成本。
在一个实施例中，高熵合金粒子在碳载体上的负载量为4.5％～5.5％。负载量是指高熵合金粒子在碳载金属催化剂中的质量分数（高熵合金粒子与碳载体的质量之和）。在上述负载量范围内，高熵合金粒子均匀分布在碳载体的外围，能够发挥更好的催化性能。
在一个实施例中，高熵合金粒子中，钌、铁、钴、镍和铂的摩尔比为（5-35）：（5-35）：（5-35）：（5-35）：（5-35）。当上述五种金属元素的质量比在上述范围内时，其电子和几何结构可以进行很大程度的调整，也可以作为构建性能优异的催化剂的平台。
在一个实施例中，高熵合金粒子中钌、铁、钴、镍和铂的摩尔比为20:20:20:15:5。此时高熵合金粒子对提高催化剂的催化性能的效果最佳。
经实验验证，在同样的金属负载量条件下，本发明技术方案上述碳载金属催化剂的催化性能与钌-铂-碳双贵金属催化剂的催化性能相差不大。与铁-铂、镍-铂、钴-铂等双金属碳基催化剂相比，本发明上述碳载金属催化剂具有更优异的催化性能和更稳定的循环使用性能。同时，由于高熵合金颗粒中铁、钴、镍等金属元素的成本相对较低，使得本发明碳载金属催化剂的成本大大降低。
根据一个实施例，制备上述任一种碳载金属催化剂的方法包括以下步骤：
将碳载体、钌前驱体、铁前驱体、钴前驱体、镍前驱体、铂前驱体和还原剂混合均匀，在200～230℃下反应完全后进行固液分离，保留固体，得到碳载金属催化剂；碳载金属催化剂包括碳载体和负载在碳载体表面的高熵合金颗粒，高熵合金颗粒包括钌、铁、钴、镍和铂。
碳载体为活性炭或石墨烯，以钌前驱体、铁前驱体、钴前驱体、镍前驱体、铂前驱体分别作为钌源、铁源、钴源、镍源、铂源，提供钌离子、铁离子、钴离子、镍离子、铂离子。
具体的，将碳载体、钌前驱体、铁前驱体、钴前驱体、镍前驱体、铂前驱体放入反应器内衬中，然后加入还原剂，密闭高温蒸煮反应器直至反应完全。
在一个实施例中，还原剂为甲醇和乙醇的混合溶液，其能够对乙酰丙酮金属盐起到更好的还原作用，提高还原反应的效率。
在一个实施例中，还原剂为甲醇和乙醇中的一种或多种；优选地，还原剂为甲醇和乙醇的混合溶液。
在一个实施例中，甲醇和乙醇的混合溶液中甲醇和乙醇的体积比为1:(0.5-2)；更优选地，甲醇和乙醇的体积比为1:1。
在一个实施例中，碳载体的质量、钌前体的质量、铁前体的质量、钴前体的质量、镍前体的质量、铂前体的质量和还原剂的体积的配比为250mg：（14mg至17mg）：（12mg至15mg）：（6mg至11mg）：（9mg至11mg）：（3mg至4mg）：（60ml至80ml）。
在一个实施例中，在固液分离之后，还包括以下步骤：采用真空干燥将固体在60℃至80℃的温度下干燥6至10小时，以完全去除固体表面的水分。
本发明的实施例提供了上述任意一种碳载金属催化剂在催化加氢反应中的用途。
催化加氢反应是指反应原料与氢气发生反应生成相应的产物，例如在碳载金属催化剂存在下，三甲基苯醌与氢气发生加成反应生成三甲基对苯二酚，或烯烃与氢气发生加成反应生成相应的烷烃，或炔烃与氢气发生加成反应生成相应的烯烃或烷烃。
根据一个实施例的制备三甲基对苯二酚的方法，包括以下步骤：
在其中一个实施例中，碳载金属催化剂、有机溶剂、三甲基苯醌和水的质量比为（0.020g至0.022g）：（39.25g至39.4g）：（0.75g至0.825g）：（0.58g至0.75g）。
参照上述实施内容，为了使本申请的技术方案更加具体、清楚、易懂，现对本申请的技术方案进行举例说明。但需要说明的是，本申请所要保护的内容并不限于下述实施例1至10。
以下实施例中所用到的仪器设备有：气相色谱仪，型号GC-2014C，日本岛津公司生产；聚四氟乙烯反应器，型号YB-100，上海裕华仪器设备有限公司生产；热水器，型号WGZ，北京永光明医疗器械有限公司生产；高温高压反应器，型号MUK50-2-300-1605-RA，安徽凯米机械科技有限公司生产。
以下实施例中所用的原材料包括：活性炭，批号，厂家为国药集团化学试剂有限公司；乙酰丙酮钌，批号，厂家为北京华威瑞科化工有限公司；乙酰丙酮铁，批号，厂家为上海麦克莱恩生化材料有限公司；乙酰丙酮镍，批号，厂家为上海麦克莱恩生化材料有限公司；乙酰丙酮钴（ii），批号，厂家为上海麦克莱恩生化材料有限公司；乙酰丙酮铂，批号，厂家为上海麦克莱恩生化材料有限公司；甲醇，批号，厂家为国药集团化学试剂有限公司；乙醇，批号，厂家为湖南惠宏试剂有限公司；异丙醇，批号，厂家为国药集团化学试剂有限公司；三甲基苯醌，批号为935-92-2，生产企业为潍坊通润化工有限公司；乙酸乙酯，批号，生产企业为国药集团化学试剂有限公司。
示例1
称取活性炭246.9mg、乙酰丙酮钌15.9mg、乙酰丙酮铁14.1mg、乙酰丙酮镍10.3mg、乙酰丙酮钴(ii)7.7mg、乙酰丙酮铂3.9mg，放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，加入甲醇70ml，在水加热箱中于220℃保温10小时。
反应完成后，冷却，先加入乙醇过滤，再加入去离子水过滤，得到固体，放入真空干燥箱中，在70℃的温度下干燥8小时，即得到实施例1的碳载金属催化剂。
示例2
称取活性炭246.9mg、乙酰丙酮钌15.9mg、乙酰丙酮铁14.1mg、乙酰丙酮镍10.3mg、乙酰丙酮钴(ii)7.7mg、乙酰丙酮铂3.9mg，投入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，加入甲醇46.7ml、乙醇23.3ml，在水加热箱中于220℃保温10小时。
反应完成后，冷却，先加入乙醇过滤，再加入去离子水过滤，得到固体，放入真空干燥箱中，在70℃温度下干燥8小时，即得到实施例2的碳载金属催化剂。
示例3
将实施例3制备的碳载金属催化剂进行X射线衍射得到图1，由图1可以看出，在XRD谱中在43.6°，50.7°和74.6°处观察到3个清晰的衍射峰，分别对应面心立方相（FCC）的反射平面（111），（200）和（220），表明该催化剂为均匀的合金相。
示例4
称取活性炭246.9mg、乙酰丙酮钌14.3mg、乙酰丙酮铁12.7mg、乙酰丙酮镍9.3mg、乙酰丙酮钴(ii)10.8mg、乙酰丙酮铂3.9mg，放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，加入甲醇23.3ml、乙醇46.7ml，在水加热箱中于220℃保温10小时。
反应完成后，冷却，先加入乙醇过滤，再加入去离子水过滤，得到固体，放入真空干燥箱中，在70℃温度下干燥8小时，即得到实施例4的碳载金属催化剂。
示例5
称取活性炭246.9mg、乙酰丙酮钌16.7mg、乙酰丙酮铁14.8mg、乙酰丙酮镍10.8mg、乙酰丙酮钴(ii)6.2mg、乙酰丙酮铂3.9mg，放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，加入乙醇70ml，在水加热箱中于220℃保温10小时。
反应结束后，冷却，先加入乙醇过滤，再加入去离子水过滤，得到固体，放入真空干燥箱中，在70℃温度下干燥8小时，即得到实施例5的碳载金属催化剂。
示例6
取实施例1制备的碳载金属催化剂20mg(还原剂为甲醇)加入到高温高压反应器中，再加入异丙醇50ml、三甲基苯醌7.5ml、去离子水7.5ml，通入4MPa氢气，在120℃下反应2小时(升温速率10℃/min)。
反应结束后自然冷却，取少量上层液体离心，取1ml上清液于取样管中，加入1ml乙酸乙酯萃取，对上层液体进行气相色谱检测分析，测得反应后三甲基苯醌的转化率为86.5%，选择性为99.3%，如图2所示。
示例7
实施例7与实施例6的不同之处在于：采用实施例2的碳载金属催化剂（还原剂为甲醇和乙醇，甲醇和乙醇的体积比为2:1）。
反应后测定三甲基苯醌的转化率为90.8％，选择性为99.4％，如图2所示。
示例8
实施例8与实施例6的不同之处在于，采用实施例3的碳载金属催化剂（还原剂为甲醇和乙醇，甲醇和乙醇的体积比为1:1）。
反应后测定三甲基苯醌的转化率为91.2％，选择性为99.4％，如图2所示。
示例9
实施例9与实施例6的不同之处在于，采用实施例4的碳载金属催化剂（还原剂为甲醇和乙醇，甲醇和乙醇的体积比为1:2）。
反应后测定三甲基苯醌的转化率为87.3％，选择性为99.2％，如图2所示。
示例10
实施例10与实施例6的不同之处在于，采用实施例5的碳载金属催化剂(还原剂为乙醇)。
反应后测定三甲基苯醌的转化率为80.5％，选择性为99.4％，如图2所示。
[0047]比较例1
将423.2mg活性炭、75.7mg乙酰丙酮钌和3.9mg乙酰丙酮铂加入到反应器的聚四氟乙烯内衬中，然后加入35ml甲醇和35ml乙醇，将混合物放在水加热箱中在220℃下保温10h。
反应完成后，冷却，先加入乙醇过滤，再加入去离子水过滤，得到固体，放入真空干燥箱中，在70℃温度下干燥8小时，得到对比例1的碳载钌铂催化剂(分子式：/c)。
比较例2
将251.3mg活性炭、67.1mg乙酰丙酮铁、3.9mg乙酰丙酮铂加入到聚四氟乙烯内衬的反应器中，然后加入35ml甲醇和35ml乙醇，在水加热箱中于220℃保温10h。
反应完成后，冷却，先加入乙醇过滤，再加入去离子水过滤，得到固体，放入真空烘箱中，在70℃温度下干燥8小时，得到对比例2的碳载铁铂催化剂(分子式：/c)。
[0067]比较例3
将263.0mg活性炭、48.9mg乙酰丙酮钴(ii)和3.9mg乙酰丙酮铂加入到聚四氟乙烯内衬的反应器中，然后加入35ml甲醇和35ml乙醇，将混合物放入水加热箱中在220℃下保温10h。
反应完成后，冷却，先加入乙醇过滤，再加入去离子水过滤，得到固体，放入真空干燥箱中，在70℃温度下干燥8小时，得到对比例3的碳载钴铂催化剂(分子式：/c)。
[0077]比较例4
将250.6mg活性炭、48.7mg乙酰丙酮镍、3.9mg乙酰丙酮铂加入到聚四氟乙烯内衬的反应器中，再加入35ml甲醇、35ml乙醇，在水加热箱中于220℃保温10h。
反应完成后，冷却，先加入乙醇过滤，再加入去离子水过滤，得到固体，放入真空烘箱中在70℃温度下干燥8小时，得到对比例4的碳载镍铂催化剂(分子式：/c)。
[0077]比较例5
取对比例1的碳载钌铂催化剂20mg加入到高温高压反应器中，再加入50ml异丙醇、7.5ml三甲基苯醌和7.5ml去离子水，然后通入4MPa氢气，在120℃下反应2小时（升温速度10℃/min），反应完成后自然冷却，得到三甲基对苯二酚溶液。
[0077]比较例6
对比例6与对比例5的不同之处在于，采用对比例2的碳载铁铂催化剂。
[0077]比较例7
对比例7与对比例5的不同之处在于，采用对比例3的碳载钴铂催化剂。
[0177]比较例8
对比例8与对比例5的不同之处在于，采用对比例4的碳载镍铂催化剂。
首次循环性能测试：
(1)实施例8氢化反应结束后，自然冷却，倒掉上层液体，加入50ml异丙醇、7.5ml三甲基苯醌、7.5ml去离子水，通入4MPa氢气，在120℃下反应2小时(升温速率10℃/min)。
(2)反应完成后，自然冷却，然后离心少量上层液体，取1ml上清液于取样管中，加入1ml乙酸乙酯进行提取，取上层液体用气相色谱检测分析。
(3)重复上述步骤(1)和(2)10次循环，反应结束后测量三甲基苯醌的转化率和选择性，如图3所示。由图3可知，三甲基苯醌的转化率分别为90.8%、90.2%、88.7%、89.5%、90.3%、87.6%、84.3%、86.7%、86.3%、86.7%；选择性分别为99.4%、99.4%、99.2%、99.3%、99.3%、99.1%、99.2%、99.2%、99.3%、99.1%、99.1%。这表明本发明实施例3的碳载金属催化剂对催化三甲基苯醌的加氢还原反应具有良好的催化性能。
第二轮性能测试：
（1）允许氢化反应完成后5至8的三甲基氢喹酮溶液，然后倒出上液体，将50mL的异丙醇，7.5mL三甲基苯甲酰苯二甲酸盐和7.5mL的脱发水添加到4mpaways。°C./min）。
（2）反应完成后，将混合物自然冷却，然后将少量的液体上层离心，并将1ml上清液放置在采样管中，并添加1mL乙酸乙酯。
（3）重复上述步骤（1）和（2），并将每个碳支持的双金合金催化剂循环10次，与第一个循环性能测试的数据相结合，三甲基苯甲酰喹酮的转化率是在图4中获得的，可以从图4中获得cary-carby-superthecarby-the-super。本发明的示例3的碳支持的金属催化剂的催化性能是第二，与比较示例的碳支持的氟平铂催化剂的催化性能并没有大不相同。比较示例2至4的催化剂很差。这表明，与基于双金属碳的催化剂（例如铁铂，镍铂和钴-铂）相比，本发明的碳支持的金属催化剂具有更好的催化性能和更稳定的环状性能。
上述实施方案的技术特征可以任意合并，以使描述简洁，并不是描述上述实施方案中的技术特征。
上述实施例仅表达本发明的几种实现方法，及其描述是相对具体和详细的，但是它们不能理解为限制发明专利的范围，应该指出，对于此领域的普通技术，可以在此领域中进行几种综合。目前的发明应遵守随附的索赔。
技术特点：
1.碳支持的金属催化剂，其特征在于它包含碳载体表面支撑的碳载体和高熵合金颗粒，其中高熵合金颗粒包含扁桃，铁，钴，镍和铂。
2。
3.根据权利要求1所述的碳支持的金属催化剂的特征在于高熵合金颗粒，，Iron，Iron，，和的摩尔比为（5-35）：（5-35）：（5-35）：（5-35）：（5-35）：（5-35）：（5-35）：（5-35）。
4.根据权利要求3的碳支持金属催化剂的特征在于高熵合金颗粒，，Iron，Iron，，和的摩尔比为20：20：20：20：15：5。
5.一种根据权利要求1到4中的任何一种准备碳支持的金属催化剂的方法，其特征在于它包括以下步骤：
碳载体，肤浅的前体，铁前体，钴前体，镍前体，铂前体和还原剂均匀地混合，在200°C至230°C下完全反应，然后进行固体分离，然后进行固体分离，并获得碳纤维式养分型牛仔car型牛仔car型牛仔car型；在碳载体的表面上，高熵合金颗粒包括氟烷，铁，钴，镍和铂。
6.Thefora-metaltoclaim5,inthattheis,theironisiron,theis(II),theis,andtheis.
7.根据权利要求5制备碳支持的金属催化剂的方法，其特征在于还原剂是一种或多种甲醇和乙醇。
优选地，还原剂是甲醇和乙醇的混合溶液。
8.根据权利要求7制备碳支持的金属催化剂的方法，其特征在于甲醇和乙醇的混合溶液中，甲醇与乙醇的体积比为1：（0.5-2）。
9.根据权利要求5制备碳占金属催化剂的方法的特征是，碳载体的质量比例，晶状体前体的质量，铁前体的质量，钴前体的质量，镍前体的质量，镍的质量，铂的质量，是130粒子的质量（14mm）mg）：（6mg11mg）：（9mg11mg）：（3mg4mg）：（60ml80ml）。
10。
11.根据权利要求5制备碳支持的金属催化剂的方法，其特征在于固液分离的操作是：在反应后将乙醇添加到混合溶液中并至少过滤两次，然后添加去离子水并至少过滤一次。
12.根据权利性5的权利要求5制备碳支持的金属催化剂的方法，该方法在固体液体分离后的特征是该方法进一步包括以下步骤：通过真空干燥将固体在60°C至80°C下干燥6h至10h。
13.在催化氢化反应中，根据权利要求1到4中的任何一种，使用碳支持的金属催化剂。
14.一种制备三甲基氢醌的方法，其特征在于它包括以下步骤：
根据权利要求1到3中的任何一种，碳支持的金属催化剂，有机溶剂，三甲基苯甲酰酮和水均匀混合，然后引入氢，然后在100°C至130°C下完成反应后获得三甲基氢气酮。
15.根据权利要求14制备三甲基氢季酮的方法的特征是，碳支持的金属催化剂的质量比，有机溶剂，三甲基苯甲酰酮和水为（0.020g0.022g）:(39.25G39.4g）：0.775g0.825g0.825g0.825g0.825glight
16.根据权利要求14制备三甲基氢喹酮的方法，其特征在于有机溶剂是异丙醇。
技术摘要
本发明涉及碳支持的金属催化剂及其施用方法及其施用的金属催化剂。本发明的技术解决方案的碳催化剂与芳族-丙铂双贵金属催化剂的催化性能并不大。同时，由于在高熵合金颗粒中的铁，钴和镍等金属元素的成本相对较低，因此本发明的碳支持金属催化剂的成本大大降低了。
技术研发人员：Wang；彭海隆；王利芬；YuLili;毛江；Xu;王山；刘阳；LV