活性炭负载氧化铁对辛醇的氧化

 

活性炭负载氧化铁对辛醇的氧化，通过沉淀法合成氧化铁纳米颗粒并负载在活性炭上。由此获得的催化剂通过各种物理化学技术表征，并用于在间歇式反应器中在30℃-60℃的各种温度下液相脱氢/氧化辛醇。在60℃，30分钟内，辛醇转化为辛醛达到最大效率。然而，随着反应时间的延长，发现催化剂的选择性有利于作为产物的辛烯。催化剂可以回收并重复使用多次，而催化性能没有任何下降。

醇的氧化是一种重要的反应，在工业规模上用于制造化学品。有数百种不同的试剂和方法可用于醇的氧化。即使这些方法存在并且非常适用于实验室规模的使用，但从工业角度来看，它们中的大多数具有共同的缺点。目前，大多数醇氧化是用化学计算量的氧化剂如过氧化物或高氧化态金属氧化物进行的。这些氧化剂不仅昂贵，而且使用这些氧化剂的方法会产生有机废物和重金属废物。因此，需要比较环保的替代氧化剂。

活性炭是一种常见的吸附剂，拥有优秀的吸附性能，化学惰性很少与其他物质产生反应。使用活性炭作为载体在内填充氧化铁纳米离子，赋予了活性炭氧化剂的能力，形成了一种新的氧化剂材料。由于活性炭的吸附性能氧化辛醇后产生的污染物直接被活性炭吸附在内便于清理。接下来我们将测试活性炭负载的氧化铁纳米粒子的性能。

 

活性炭负载氧化铁纳米粒子

 

将0.5M氢氧化铵溶液和0.1M硝酸铁溶液(环己烷/硝酸铁100：0.25)在250mL烧瓶中混合。将氢氧化铵溶液逐滴加入到硝酸铁溶液中，同时剧烈搅拌所得混合物。然后将混合物保持5-9小时以使其老化。老化后，溶液变黑，表明形成了氧化铁纳米颗粒。在下一步骤中，将4.0g活性炭与氧化铁纳米颗粒溶液一起搅拌，以在活性炭上获得10wt%的氧化铁纳米颗粒。过滤溶液，将滤饼在70℃下在烘箱中干燥过夜。然后将其在马弗炉中煅烧，加热至280℃，加热速率为0.5℃/分钟，然后在相同温度下保持2小时。

通过在三颈分批反应器中进行反应来测试催化剂的催化活性。将0.5M辛醇(10mL)水溶液和100mg催化剂装入反应器中并在干燥氧气存在下在60℃下超声处理30-60分钟。然后通过UV分光光度计来测试混合物。

 

 

图1：(a)的FT-IR光谱; 活性炭(b); 氧化铁纳米颗粒负载在活性炭上。

氧化铁纳米颗粒(8-15nm)负载在粒径为149-177μm的活性炭上。FT-IR光谱显示活性炭的表面官能团为：OH，NH(3100-3500 cm-1)，CH芳香族化合物(3000-3100 cm-1)，CH脂肪族化合物(2800-3000 cm-1)，C=O和CO(1640-1750cm-1)。负载在活性炭上的氧化铁纳米粒子的FT-IR表明在1050厘米脂族磷酸盐拉伸特征峰-1和2300厘米-1并在470厘米赤铁矿-1和570厘米-1所示图1。SEM图像显示活性炭的多孔表面形态，并且还反映了氧化铁纳米颗粒在活性炭表面上的分散，如图2所示。

 

 

图2：(a)活性炭的SEM图像; (b)氧化铁纳米颗粒; (c)负载在活性炭上的氧化铁纳米颗粒。

活性炭负载氧化铁的催化活性

为了评估催化剂的活性，在催化剂存在下，在间歇式反应器中进行辛醇到辛醛的液相脱氢/氧化。在各种条件下进行的反应获得的结果列于表1中。结果表明，与活性炭作为催化剂的反应对于辛醇脱水为辛烯具有完全选择性，转化率非常低。然而，对于活性炭，该反应对于辛醇氧化成辛醛具有选择性。将活性炭催化剂再循环并重复使用几次以测试其可重复使用性和寿命。连续五次运行后，未发现催化剂的催化活性降低。

表1：活性炭负载氧化铁纳米粒子在辛醇氧化脱氢反应中的催化性能。

 

研究了负载在活性炭上的氧化铁纳米颗粒对该液体的催化活性，在各种反应条件下将辛醇相氧化成辛醛。该催化剂在较低温度下显示出对辛醛的最大选择性和较低的氧分压。发现所需转化率的最佳条件为：反应时间(60分钟)，氧分压(152托)，温度(60℃)，催化剂(100毫克)和0.5米底物水溶液(10)毫升。总之，催化剂具有真正异质的特征，它可以通过简单的过滤轻松回收并重复使用几次而不会损失催化活性。

 

相关学术：一种活性炭负载氧化铁固体芬顿试剂的制备方法

申请(专利)号：CN201811001378.8

申请日期：2018-08-30

公开/公告号：CN109012671A

公开/公告日期：2018.12.18

申请(专利权)人：常州大学

发明人：李英柳

国省代号：CN320412

摘要：本发明涉及一种活性炭负载氧化铁固体芬顿试剂的制备方法.所述的制备方法是将经过酸预处理的活性炭与铁盐充分混合后,高温煅烧而成,所得产品为活性炭负载三氧化二铁的固体颗粒状物质.本发明解决了传统芬顿试剂不能回收利用,加入的铁离子形成铁泥需要进行二次处理以及催化降解活性高度依赖于酸性环境条件等问题.所述制备方法工艺简单,成本较低,且制备的产品具有化学性质稳定,对环境无害,铁离子溶出率低,可同时活化双氧水和过硫酸盐催化降解有机物,在中性条件下使用具有高效快速的处理效果等优点.