一种用于氧气直接氧化苯制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂及其制备方

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 107519910 A(43)申请公布日 2017.12.29

(21)申请号 201710817843.4(22)申请日 2017.09.12

(71)申请人 陕西科技大学

地址 710021 陕西省西安市未央区大学园

区陕西科技大学(72)发明人 王伟涛　李娜　马养民　唐皓　

杨秀芳　(74)专利代理机构 西安西达专利代理有限责任

公司 61202

代理人 刘华(51)Int.Cl.

B01J 27/24(2006.01)B01J 23/22(2006.01)B01J 37/02(2006.01)B01J 37/03(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图2页

C07C 39/04(2006.01)C07C 37/58(2006.01)

(54)发明名称

一种用于氧气直接氧化苯制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂及其制备方法(57)摘要

一种用于氧气直接氧化苯制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂的制备方法，该方法将载体与偏钒酸铵加入到DMF中，搅拌3~6h，使其发生浸渍；接着，再将ZrCl4溶于DMF中并将溶液逐滴加入到上述的混合液中并继续搅拌，最后将得到的混合物用DMF洗涤，至滤液为无色透明后，烘干即得到负载型钒酸锆催化剂。本发明的催化剂应用于化工领域中，催化氧气可以直接氧化苯到苯酚。本发明提供的催化剂制备方法简单、绿色，具有催化活性高、收率高、稳定性好且对反应设备无腐蚀、反应后易分离可以循环使用等优点。CN 107519910 ACN 107519910 A

权　利　要　求　书

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1.一种用于氧气直接氧化苯制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂，其特征在于，所述的催化剂以ZrCl4和NH4VO3为原料，以活性炭、碳纳米管、酸化的碳纳米管、膨润土、g-C3N4、γ-Al2O3 中的一种或多种为载体，通过浸渍、共沉淀的方法制备。

2.一种用于制备权利要求1所述催化剂的方法，其特征在于，具体步骤包括：1） 将一定量的载体浸入配方量的NH4VO3的DMF溶液中，在温度为25℃~50℃条件下浸渍3~6h；

2）将ZrCl4的DMF溶液按配方量逐滴滴加至步骤1）得到的混合液中，并在25℃~50℃下持续搅拌10~24h，使钒酸锆共沉淀在载体；

3）将步骤2）得到的混合液过滤，滤饼用DMF洗涤，干燥，得到负载型钒酸锆催化剂。3.根据权利要求2所述的一种用于氧气直接氧化苯制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂的制备方法，其特征在于，所述的载体包括活性炭、MWCNTs、MWCNTs-A、膨润土、g-C3N4、γ-Al2O3。

4.根据权利要求2所述的一种用于氧气直接氧化苯制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤1）中每种载体取1g时同时浸泡在6ml NH4VO3的DMF溶液中。

5.根据权利要求2所述的一种用于氧气直接氧化苯制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂的制备方法，其特征在于，所述NH4VO3的DMF溶液的浓度为0.1mol/L~0.5mol/L。

6.根据权利要求2所述的一种用于氧气直接氧化苯制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂的制备方法，其特征在于，向步骤1）所得混合液中滴加ZrCl4的DMF溶液时，NH4VO3与ZrCl4的摩尔配比为4:3。

7.根据权利要求2所述的一种用于氧气直接氧化苯制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂的制备方法，其特征在于，所述的ZrCl4的DMF溶液的浓度为0.1mol/L~0.5mol/L。

8.根据权利要求2所述的一种用于氧气直接氧化苯制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中的干燥条件为，50℃~120℃干燥6-24h。

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一种用于氧气直接氧化苯制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂及

其制备方法

技术领域

[0001]本发明属于新型催化剂制备技术领域，具体涉及一种用于氧气直接氧化苯制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂及其制备方法。

背景技术

[0002]苯酚是一类重要的化工中间体，90%的苯酚应用于酚醛树脂的合成方面，它还在医药、农药、油漆、染料、炸药、石油添加剂、脱漆剂、木材防腐剂、香料等的合成领域有重要作用。目前绝大多数工厂生产苯酚的方法主要是异丙苯法，该方法存在以下5个方面的不足：①反应步骤多；②收率低（约5%）；③能耗大；④环境严重污染；⑤成本会随副产物丙酮的市场价格而波动。因此，近年来，世界各国致力于研究一种苯酚的绿色制备方法，其中苯直接氧化制备苯酚作为一种比较经济绿色的苯酚制备新方法受到人们的广泛关注，成为了研究的热点。苯直接氧化制备苯酚有以下4个方面的优点：①反应步骤少；②原子利用率高；③能耗低；④环境友好，这使得苯直接氧化制备苯酚成为目前研究的热点，受到世界各国的广泛关注。氧气作为一种绿色的氧化剂，其氧化反应的副产物对环境无污染；且氧气相对于双氧水而言，不仅廉价易得，而且绿色无害。因此，氧气氧化苯被认为最可能优先实现苯酚工业化的绿色制备途径。[0003]目前，氧气直接氧化苯制备苯酚使用的催化剂主要是钒基催化剂，但此种催化剂普遍存在循环性能差，活性成分易流失等缺点。因此，氧气直接氧化（羟基化）苯制备苯酚的技术关键在于催化剂的制备和开发。近年来人们逐渐研究合成负载型钒基催化剂，以提高催化剂的活性和稳定性。在目前公开的应用于苯直接制苯酚反应的负载型钒基催化剂中，专利CN103537313A、CN103878012A、CN103191781A和CN101362098B中分别以分子筛作为载体制备催化剂，这些催化剂不仅载体和催化剂合成原料价格较为昂贵，而且催化剂的合成还存在温度较高，步骤较多，制备过程较复杂，制备周期相对较长等不足。因此，研制一种高效、简单易制备、绿色环保的氧气催化氧化苯制备苯酚的催化剂具有重要的意义。到目前为止，由锆和钒以共沉淀法制备的负载型钒酸锆催化剂，用于氧气直接氧化苯制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂的研究未见报道。

发明内容

[0004]本发明的目的在于提供一种用于氧气直接氧化苯制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂及其制备方法。本发明提供的催化剂制备方法简单、绿色，具有催化活性高、收率高、稳定性好且对反应设备无腐蚀、反应后易分离可以循环使用等优点。[0005]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于苯直接氧化制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂的制备方法，包括以下步骤：步骤一：将载体活性炭，MWCNTs(碳纳米管)，MWCNTs-A（酸化的MWCNTs），膨润土，g-C3N4，γ-Al2O3分别浸入浓度为0.1mol/L~0.5mol/L的NH4VO3的DMF溶液中，在温度为25℃~50

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℃条件下浸渍3~6h；其中载体均取5g，DMF取30ml；

步骤二：将浓度为0.1mol/L~0.5mol/L的ZrCl4的DMF溶液逐滴滴加至步骤一的混合液中，并在25℃~50℃下持续搅拌10~24h；

步骤三：将步骤二的混合液过滤，DMF洗涤，50℃~120℃的烘箱中干燥6-24h，得到负载型钒酸锆催化剂。

[0006]以及一种用于苯直接氧化制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂，采用上述的用于苯直接氧化制备苯酚的负载型钒酸锆催化剂的制备方法制得。[0007]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明方法选用多种不同载体，利用偏钒酸铵和氯化锆直接共沉淀法生成钒酸锆，制备了不同载体负载钒酸锆催化剂。钒酸锆引入到载体上表现较好的催化活性，能够广泛的应用于苯直接制苯酚以及其它的氧化反应中。以不同载体作为催化剂，制备负载型催化剂，并且在其表面引入钒酸锆，不仅能够保证催化剂提供较好的活性成分，同时载体能够保证催化剂的稳定性；另外，本方法选用不同种类的载体，使其可适用于不同的反应环境，使得催化剂有了更广泛的应用。本发明提供的催化剂制备方法简单、绿色，具有催化活性高、收率高、稳定性好且对反应设备无腐蚀、反应后易分离可以循环使用等优点。附图说明

[0008]图1是实施例1制备的无负载的钒酸锆的XRD图谱；

图2是实施例2制备的负载在活性炭上的负载型钒酸锆催化剂的XRD图谱；图3是实施例2制备的负载在活性炭上的负载型钒酸锆催化剂中钒的XPS图谱；图4是实施例2制备的负载在活性炭上的负载型钒酸锆催化剂中锆的XPS图谱。具体实施方式

[0009]为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。[0010]实施例1

将0.354g偏钒酸铵加入到30ml的DMF中，搅拌3h，使其在25℃下浸渍，得到混合液A。将0.529g的ZrCl4溶于20ml的DMF中，并将溶液逐滴加入混合液A中，并继续搅拌5h，然后将得到的混合物用DMF洗涤至滤液为无色透明后烘干，即得到钒酸锆。[0011]实施例2

将5g活性炭与0.354g偏钒酸铵加入到30ml的DMF中，搅拌6h，使其在25℃下发生浸渍，将0.529g的ZrCl4溶于20ml的DMF中，并将溶液逐滴加入到步骤一的混合液中继续搅拌18h，然后将得到的混合物用DMF洗涤至滤液为无色透明后烘干，即得到活性炭负载钒酸锆催化剂。从图2可以看NH4Cl尖峰的存在，表明ZrCl4和NH4VO3反应生成了NH4Cl。在26-30°出现的宽峰表明催化剂是处于无定形的结构。而V-Zr的复合物也是以无定形的结构存在。因此，我们可以假定ZrCl4和NH4VO3通过共沉淀法生成了无定形的钒锆化合物。XPS 的分析可以推断Zr和V在反应前后的化学价态。由图3可以看出， Zr 3d5/2 和Zr 3d3/2 的键能分别在 182.3 eV和184.7 eV，可以判断Zr为四价。从图4，V 2p3/2 的键能为517.4 eV，可以判断V为五价. 证明活性组分在负载前后化合价并没有发生变化。

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CN 107519910 A[0012]

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将制备得到的催化剂用于苯羟基化反应，将150mg催化剂、1mL苯 (0.84g) 、3mL乙

腈、0.7g抗坏血酸加入 10mL 高压釜中反应，通入3MPa 的O2，磁力搅拌下反应，反应温度为80℃，保持5h，得到苯酚收率为8.6%。[0013]实施例3

将5g MWCNTs与0.354g偏钒酸铵加入到30ml的DMF中，搅拌4h，使其在25℃下发生浸渍，将0.529g的ZrCl4溶于20ml的DMF中，并将溶液逐滴加入到步骤一的混合液中继续搅拌18h，然后将得到的混合物用DMF洗涤至滤液为无色透明后烘干，即得到MWCNTs负载钒酸锆催化剂。

[0014]将制备得到的催化剂用于苯羟基化反应，将150mg催化剂、1mL苯 (0.84g) 、3mL乙腈、0.7g抗坏血酸加入 10mL 高压釜中反应，通入3MPa 的O2，磁力搅拌下反应，反应温度为80℃，保持5h，得到苯酚收率为8.9%。[0015]实施例4

将5g MWCNTs-A（酸化的MWCNTs）与0.354g偏钒酸铵加入到30ml的DMF中，搅拌5h，使其在25℃下发生浸渍，将0.529g的ZrCl4溶于20ml的DMF中，并将溶液逐滴加入到步骤一的混合液中继续搅拌18h，然后将得到的混合物用DMF洗涤至滤液为无色透明后烘干，即得到MWCNTs-A负载钒酸锆催化剂。

[0016]将制备得到的催化剂用于苯羟基化反应，将150mg催化剂、1mL苯 (0.84g) 、3mL乙腈、0.7g抗坏血酸加入 10mL 高压釜中反应，通入3MPa 的O2，磁力搅拌下反应，反应温度为80℃，保持5h，得到苯酚收率为7.6%。[0017]实施例5

将5g 膨润土与0.354g偏钒酸铵加入到30ml的DMF中，搅拌3h，使其在25℃下发生浸渍，将0.529g的ZrCl4溶于20ml的DMF中，并将溶液逐滴加入到步骤一的混合液中继续搅拌18h，然后将得到的混合物用DMF洗涤至滤液为无色透明后烘干，即得到膨润土负载钒酸锆催化剂。

[0018]将制备得到的催化剂用于苯羟基化反应，将150mg催化剂、1mL苯 (0.84g) 、3mL乙腈、0.7g抗坏血酸加入 10mL 高压釜中反应，通入3MPa 的O2，磁力搅拌下反应，反应温度为80℃，保持5h，得到苯酚收率为8.5%。[0019]实施例6

将5g g-C3N4与1.77g偏钒酸铵加入到30ml的DMF中，搅拌6h，使其在50℃下发生浸渍，将2.64g的ZrCl4溶于20ml的DMF中，并将溶液逐滴加入到步骤一的混合液中继续搅拌10h，然后将得到的混合物用DMF洗涤至滤液为无色透明后，于50℃烘干24h，即得到g-C3N4负载钒酸锆催化剂。

[0020]将制备得到的催化剂用于苯羟基化反应，将150mg催化剂、1mL苯 (0.84g) 、3mL乙腈、0.7g抗坏血酸加入 10mL 高压釜中反应，通入3MPa 的O2，磁力搅拌下反应，反应温度为80℃，保持5h，得到苯酚收率为6.6%。[0021]实施例7

将5g γ-Al2O3与1.062g偏钒酸铵加入到30ml的DMF中，搅拌6h，使其在40℃下发生浸渍，将1.587g的ZrCl4溶于20ml的DMF中，并将溶液逐滴加入到步骤一的混合液中继续搅拌24h，然后将得到的混合物用DMF洗涤至滤液为无色透明后，于120℃烘干6h，即得到γ-Al2O3

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负载钒酸锆催化剂。

[0022]将制备得到的催化剂用于苯羟基化反应，将150mg催化剂、1mL苯 (0.84g) 、3mL乙腈、0.7g抗坏血酸加入 10mL 高压釜中反应，通入3MPa 的O2，磁力搅拌下反应，反应温度为80℃，保持5h，得到苯酚收率为5.8%。

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说　明　书　附　图

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图1

图2

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说　明　书　附　图

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图3

图4

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