调整二苯醚氢氧化的Pt/CNT催化剂的酸度

许多制造化学品的工业过程都涉及使用水无机酸。一个典型的例子是传统的H2SO₄工艺，用于水化环己醇，以产生环己醇。该过程涉及双相系统，环己酸二甲苯醚处于有机相，环己醇产物处于酸性水相，因此通过简单的蒸馏使分离过程变得困难。除了分离和回收的困难外，无机酸对设备也具有剧毒和腐蚀性。有时，使用无机酸会产生副产品，从而降低产品产量，必须避免。例如，使用H2 SO₄脱水2环己酮-1-ol以生产1，3-环己二烯将导致聚合副产品1。因此，许多工业过程转向使用固体酸催化剂。各种耐水固体酸用于解决上述问题并最大限度地提高产品产量，例如使用 HZSM-5 和 Amberlyst-15。使用高硅HZSM-5沸石已被证明取代H2 SO₄在生产环己醇从苯2。由于沸石存在于中性水相中，因此产品将完全进入有机相，从而简化分离过程。然而，由于刘易斯酸碱加法形成水分子到刘易斯酸位点，沸石材料仍然表现出较低的选择性，由于存在非活性位点3。在所有这些固体酸中，Nb₂O₅是同时含有刘易斯和布伦斯特德酸位的最佳候选体之一。Nb₂O₅μnH₂O 的酸度相当于 70% 的 H₂SO₄溶液，因为存在实验室质子。与质子沸石材料相当的苯酸度非常高。这种酸度在除水后将转向刘易斯酸度。在存在水的情况下，Nb₂O₅形成四面体 NbO 4-H₂O 加法，这可能会降低刘易斯酸度。然而，刘易斯酸位仍然有效，因为NbO₄四面体仍然有有效的正电荷4。这种现象在葡萄糖转化为5-（羟基甲基）fural（HMF）和苯醛^与水中四环锡的转化中得到了成功证明。因此，耐水催化剂在可再生能源应用中的生物量转化至关重要，尤其是在水等环境无害溶剂中进行转化时。

在许多环境良性固体酸催化剂中，使用石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、中孔碳材料的功能化碳纳米材料在生物质的价化中一直发挥着重要的作用。可调孔隙度、极高的特异性表面积和优异的疏水性 6、⁷。磺化衍生物是特别稳定、活性高的质子催化材料。它们可以通过硫化芳香化合物8的不完全碳化制备，也可以由不完全碳化^糖9的硫化制备。它们已被证明是非常高效的催化剂（例如，用于高脂肪酸的酯化），其活性可与使用液体H2 SO₄相媲美。石墨烯和CNT是碳材料，具有较大的表面积、优异的机械性能、良好的耐酸性、均匀的孔径分布以及耐焦炭沉积。已发现硫酸石墨烯能有效催化乙酸乙^酯10的水解，双功能石墨烯催化剂已发现，促进一锅的乳酸转化为β-瓦列洛^酮11。CNT 上支持的双功能金属也是用于生物质转化 12、13的高效催化剂，例如，在 VO 2-PANI/CNT 上将 HMF 高度选择性的有氧氧化为 2，5-二甲基^催化剂14.

利用 Nb₂O₅固体酸、功能化 CNT 和 CNT 上支持的双功能金属的独特特性，我们报告一系列基于 Nb（Ta） 的固体酸纳米板改性 Pt/CNT 的合成协议，具有高表面面积由纳米片聚合方法。此外，我们证明了Pt/20HNbWO6/CNTs，由于从HNbWO₆纳米片衍生的分散的Pt粒子和强酸位点的协同效应，在转换中表现出最佳活性和选择性木质素衍生的模型化合物通过水力脱氧转化为燃料。

注意:有关本文所述化学品的正确处理方法、特性和毒性，请参阅相关材料安全数据表 （MSDS）。使用的一些化学品有毒和致癌，必须特别小心。纳米材料可能会带来安全隐患和健康影响。应避免吸入和皮肤接触。必须采取安全预防措施，例如在烟机罩中执行催化剂合成，以及使用高压灭菌器进行催化剂性能评估。必须佩戴个人防护设备。

1. CNTs 的预处理¹³

1. 将 1.0 g CNT 浸入 50 mL 硝酸中，放入 100 mL 烧杯中。
2. 在25°C下将溶液声波1.5小时，去除表面杂质，增强催化剂的锚固效果。
3. 将溶液转移到 100 mL 圆形底瓶中。
4. 在硝酸混合物中倒流溶液 （65%）和硫酸 （98%）在60°C过夜。将音量比率设置为 3:1。这将在 CNT 上创建表面缺陷。
5. 过滤溶液，获得多壁碳纳米管固体。用去离子水清洗固体。
6. 在 80°C 干燥固体 14 小时。

2. HNbWO₆固体酸纳米片的制备¹⁵通过质子交换，然后去除

1. 以 1:1:2:2 的摩尔比将 Li₂CO₃ （0.9236 g） 和金属氧化物 Nb₂O₅ （3.3223 g） 和 WO₃ （5.7963 g） 混合。
2. 在800°C下将固体混合物加钙化24小时，同时进行一次中间研磨。
3. 将 10.0 g 的 LiNbWO₆粉末放入 200 mL 的 2 M HNO₃水溶液中，在 50°C 下搅拌溶液混合物 5 天（120 小时），在 60 小时时更换一次酸。
4. 每天交换酸性液体，重复步骤2.3。
5. 过滤固体，用去离子水清洗固体3倍。
6. 在80°C干燥固体过夜。
7. 在150 mL的去离子水溶液中加入25 wt.% TBAOH（四分之一（丁二氧化氢）溶液，在步骤2.6中获得2.0克质子化化合物，直到pH达到9.5~10.0。
8. 搅拌上述溶液7天。
9. 对上述溶液进行离心机，并收集包含分散纳米片的上清溶液。

3. HNbMO₆固体酸性纳米片的制备

注: 除第一步和第三步外，该过程与步骤 2 的过程类似。

1. 将 Li₂CO₃和金属氧化物 Nb₂O₅和 MoO₃的焦化量混合在 1:1:2 的摩尔比中。
2. 在空气中800°C下将上述固体混合物加钙化24小时，并进行一次中间研磨。
3. 将 10.0 g 的 LiNbMoO₆粉末放入 200 mL 的 2 M HNO₃水溶液中，在 50°C 下搅拌溶液混合物 5 天（120 小时），在 60 h 处更换一次酸。

4. HTaWO₆固体酸性纳米片的制备

注: 除第一步和第三步外，该过程与步骤 2 的过程类似。

1. 将 Li₂CO₃和金属氧化物 Ta₂O₅和 WO₃的焦化量混合在 1:1:2 的摩尔比中。
2. 在空气中900°C下将上述固体混合物加钙化24小时，并进行一次中间研磨。
3. 将 10.0 g 的 LiTaWO₆粉末放入 200 mL 的 2 M HNO₃水溶液中，在 50°C 下搅拌溶液混合物 5 天（120 小时），在 60 h 处更换一次酸。

5. 采用纳米表聚合方法制备HNbWO 6/MWCNT

1. 在 250 mL 圆形底瓶中将步骤 1 中获得的 2.0 g 多壁 CNT 添加到 HNbWO₆纳米片的 100 mL 溶液中。
2. 将100 mL的1.0 M HNO₃水溶液加入圆底瓶滴。这将聚合纳米片样本。
3. 继续在50°C搅拌溶液6小时。
4. 过滤固体，用去离子水清洗固体3倍。
5. 在80°C干燥固体过夜。
6. 称量干固体，并记录MWCNT上固体酸的载荷百分比。

6. 通过浸渍方法制备Pt/20HNbWO 6/CNT

1. 将 H₂PtCl₆+H₂O 溶入水中（1.0 g/100 mL）。
2. 用上述Pt水溶液的1.34 mL浸渍制备制备的纳米表改性CNT材料。
3. 在 80°C 下干燥纳米板 CNT 材料，并在 400°C 下对材料进行 3 小时钙化。
4. 获得基于Nb（Ta）的固体酸纳米板改性Pt/CNTs催化剂。

7. 木质素衍生芳烃醚的氢氧化

注:本实验中选择的木质素衍生芳香醚为二苯醚。本实验中选择的木质素衍生芳香醚是二苯醚。Pt/20HTaWO₆/CNTs（88.8%的转化，本文未见）的活性低于Pt/20HNbWO 6/CNTs（99.6%），因此环己随醇的产量下降。因此，虽然环己酸的选择性高于Pt/20HTaWO 6/CNTs，但二苯醚转化率较低限制了其利用率。使用适当的防护设备和烟气罩使用致癌试剂进行反应。

1. 在 5 毫升石英沙中稀释 0.05 克催化剂。将溶液装入两个石英羊毛枕头之间的固定床反应器中间。
2. 将H2（40 mL/min）中的催化剂在300°C下降低2小时。
3. 将二苯醚原料（包括n-decane中的5.0 wt.%反应物和2.0 wt.% n-多德甘酮作为气相色谱分析的内部标准）以不同的流速（0.05-0.06 mL/min）泵入固定床反应器中
4. 在不同空间时间收集产品，定义为催化剂 W （g） 的质量与基板 F（g/min）的流速之间的比率。
   
5. 通过 GC（HP-5、30 m x 0.32 mm x 0.25 μm）与 5977A MSD 识别液体产品，并通过气相色谱（GC 450、FID、FFAP 毛细管柱 30 米 x 0.32 mm x 0.25 μm）进行线下分析。
6. 确定反应物的转化率（共、对产品 I 的选择性（S_i%）和产品i （Y_i%）的收益率使用以下方程:
   (1)
   (2)
   (3)

X射线衍射模式（XRD）已经研究前体LiNbWO6和相应的质子交换催化剂样品HNbWO 6，以确定相位（图1和图2）。NH3-温度编程解吸（NH3-TPD）用于探测催化剂样品的表面酸度（图3）。扫描电子显微镜（SEM）与X射线微分析和传输电子显微镜（TEM）被记录为研究形态（图4和图5）。还记录了制备的催化剂的特定表面积测量（表1）。

前体LiNbWO6的XRD模式和相应的质子交换催化剂样品HNbWO6如图1所示。在 2° = 9.5°、26.9° 和 34.7° 时有三个独特的衍射峰。这代表一个有序的分层结构，并与LiNbWO 6（JCPDS 84-1764）观察到的四角性双体相具有良好的一致。使用水硝溶液进行质子交换反应后，观察到2°~6.8°的衍射峰，这与HNbWO 6（JCPDS 41-0110）中观察到的模式一致。此峰值的存在表示存在分层结构。该层与四丁基氢氧化铵（TBAOH）脱钩，并通过硝酸聚集与CNT混合后，XRD模式发生明显变化。2 ± 25.6° 的特性 XRD 峰值归因于 C（002），而 2 = 26.4° 和 37.9° 的峰值分别归因于 HNbWO6纳米片的 （110） 和 （200） 晶格平面。如图2所示，随着HNbWO6纳米片含量的增加，衍射峰值的强度会增强。去角质后，2° ± 6.8° 处的衍射峰值几乎完全消失。这表明分层化合物被完全转化为纳米表结构16。2 ± 39.8° 处的衍射峰值被分配给Pt（111）晶格平面。

TEM 可用于观察制备的催化剂的 Pt 颗粒大小分布。Pt 粒子均匀地分布在 CNT 上。通过计算每个样品上的 20-40 Pt 颗粒，确定平均大小约为 3-5 nm。HNbWO6纳米板的单层附着在 CNT 上，纳米片的一些边缘呈弯曲。

Pt/20HNbWO6/CNTs的SEM（图4a）和催化剂不同元素的相应元素映射分析如图4b-4f所示。 分析直接说明了Pt粒子的分布。这进一步表明，Pt粒子以及Nb和W元素都均匀地分散在催化剂的表面。

采用NH3-TPD技术，可以比较不同催化剂的酸度。图5中描述了Pt/CNTs、Pt/5HNbWO 6/CNTs、Pt/20HNbWO 6/CNTs、Pt/20HNbMo6/CNTs和Pt/20HTaWO6/CNTs催化剂的脱吸曲线，以比较酸强度。据了解，催化剂上酸位点的浓度与峰下区域直接相关，而酸位点的强度与NH3解吸17期间的温度有关。一般来说，酸度的顺序如下:弱酸位点（<300°C）、中酸位点（300°C至500°C之间）和强酸位点（>500°C）18 。所有纳米板改性催化剂均具有以210°C为中心的峰值所描绘的弱酸特征位点。广泛的解吸峰表明，酸位点在酸处理19、20后在CNTs表面产生。此外，两个指示中酸强度的峰值分别位于 360 °C （Pt/20HNbWO6/CNTs） 和 450 °C （Pt/20TaWO6/CNTs） 处。因此，催化剂的酸强度顺序可以得出如下结论:Pt/CNTs 6/MWNCTs 6/CNTs 6/CNTs 6/CNTs。酸强度实际上与Bránsted酸位点的数量有关，这是由于桥接的OH组（M（OH）N的存在，其中M和N分别代表一个元素，仅在纳米表16，21上形成。由于CNT的光传输不良，热氨酸红外不能用于证明Br_nsted酸位点的存在和范围。

已选择制备的Pt/20HNbWO 6/CNT的催化性能，用于研究生物质木质素衍生模型化合物和混合模型化合物转化为脱氧燃料成分。反应在3.0 MPa H2下200°C的固定床反应器中进行，基板通过液体馈送泵泵入反应堆。使用 0.05 g Pt/20HNbWO6/CNTs 催化剂，H2/油比 = 300，在 W/F = 27.3 分钟时，二苯醚的转化几乎定量完成在 99.7%， 环己酸选择性为 96.4%。当一半的二苯醚被用安胶取代时，由于基材和催化剂之间的相互作用不同，混合物的转化率降至82%，环己酸选择性为70.1%。目前的努力重点是转换其他木质素衍生的复合混合物，具有较高的复杂性，并阐明不同基材和催化剂之间的竞争相互作用机制。

图 1.LiNbWO6的 XRD 模式和相应的质子交换样品。
X射线衍射模式（XRD）已经研究前体LiNbWO6和相应的质子交换催化剂样品HNbWO6，以确定相位。在 2° = 9.5°、26.9° 和 34.7°16时有三个独特的衍射峰。这代表一个有序的分层结构，并与LiNbWO 6（JCPDS 84-1764）观察到的四角性双体相具有良好的一致。在质子交换反应后，观察到2°~6.8°的衍射峰，这与HNbWO 6（JCPDS 41-0110）中观察到的模式一致。此峰值的存在表明存在分层结构22。请点击此处查看此图的较大版本。

图 2.具有不同量的固体酸纳米板支持的 Pt 催化剂的 XRD 模式。
该层与四丁基氢氧化铵（TBAOH）脱钩，并通过硝酸聚集与CNT混合后，XRD模式发生明显变化。2 ± 25.6° 的特性 XRD 峰值归因于 C（002），而 2 = 26.4° 和 37.9° 的峰值分别归因于 HNbWO6纳米片的 （110） 和 （200） 晶格平面。随着HNbWO6纳米片含量的增加，衍射峰值的强度增强。去角质后，2° ± 6.8° 处的衍射峰值几乎完全消失。这表明分层化合物被完全转化为纳米表结构16。2 ± 39.8° 处的衍射峰值被分配给Pt（111）晶格平面。请点击此处查看此图的较大版本。

图 3.不同催化剂的 TEM 图像和 Pt 粒径分布:（A） Pt/CNT （B） Pt/5HNbWO6/CNTs （C） Pt/20HNbWO6/CNTs。
Pt 粒子均匀地分布在 CNT 上。通过计算每个样品上的 20-40 Pt 颗粒，确定平均大小约为 3-5 nm。可以看出，HNbWO6纳米板的单层附着在 CNT 上，纳米片的一些边缘呈弯曲。请点击此处查看此图的较大版本。

图 4.SEM 图像 （a） 和 Pt （b）、O （c）、Nb （d）、W （e） 和 C （f） 在 Pt/20HNbWO6/CNTs 上的元素映射。
Pt/20HNbWO6/CNTs的SEM（图4a）和催化剂不同元素的相应元素映射分析如图4b-4f所示。 分析直接显示 Pt 粒子的分布。这进一步表明，Pt粒子以及Nb和W元素都均匀地分散在催化剂的表面。请点击此处查看此图的较大版本。

图 5.不同催化剂的NH 3-TPD配置文件。
NH3-TPD用于确定每个纳米板的酸强度。所有纳米板改性催化剂均具有以210°C为中心的峰值所描绘的弱酸特征位点。广泛的解吸峰表明酸位点在酸处理后在CNTs表面产生。此外，指示中酸强度的两个峰值分别位于 360 °C （Pt/20HNbWO6/CNTs） 和 450 °C （Pt/20TaWO6/CNTs） 的中心。因此，催化剂的酸强度顺序可以得出如下结论:Pt/CNTs 6/MWNCTs 6/CNTs 6/CNTs 6/CNTs。请点击这里查看更大的此图的版本。

表 1.支持的Pt催化剂的纹理特性。
Pt/CNTs 的具体表面积为 134 m2/g。结合各种固体酸性纳米片后，特定表面积和孔隙体积均减少，表明CNT的部分表面孔隙被纳米片堵塞。

表2.各种基材的转化率和选择性Pt/HNbWO6/CNTs
使用 0.05 g Pt/20HNbWO6/CNTs 催化剂，H2/油比 = 300，在 W/F = 27.3 分钟时，二苯醚的转化几乎定量完成在 99.7%， 环己酸选择性为 96.4%。当一半的二苯醚被用安胶取代时，由于基材和催化剂之间的相互作用不同，混合物的转化率降至82%，环己酸选择性为70.1%。

我们没有什么可透露的。