石墨相氮化碳负载钒作为多相催化剂用于苯直接氧化制苯酚

doi:10.1016/S1872-2067(16)62496-8

催化学报 ›› 2016, Vol. 37 ›› Issue (11): 2003-2008.DOI: 10.1016/S1872-2067(16)62496-8

石墨相氮化碳负载钒作为多相催化剂用于苯直接氧化制苯酚

王成, 胡丽雅, 王美银, 任远航, 岳斌, 贺鹤勇

复旦大学化学系, 上海市分子催化和功能材料重点实验室, 能源材料化学协同创新中心, 上海, 200433

收稿日期:2016-06-17 修回日期:2016-07-21 出版日期:2016-11-25 发布日期:2016-11-25
通讯作者: Bin Yue,Tel:+86-21-65643916; E-mail:yuebin@fudan.edu.cn;Heyong He, Tel:+86-21-65643916; E-mail:heyonghe@fudan.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金（21371035，21473036）和中国石化基金（X514005）.

Vanadium supported on graphitic carbon nitride as a heterogeneous catalyst for the direct oxidation of benzene to phenol

Cheng Wang, Liya Hu, Meiyin Wang, Yuanhang Ren, Bin Yue, Heyong He

Department of Chemistry and Shanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative Materials, Collaborative Innovation Center of Chemistry for Energy Materials, Fudan University, Shanghai 200433, China

Received:2016-06-17 Revised:2016-07-21 Online:2016-11-25 Published:2016-11-25
Contact: Bin Yue,Tel:+86-21-65643916; E-mail:yuebin@fudan.edu.cn;Heyong He, Tel:+86-21-65643916; E-mail:heyonghe@fudan.edu.cn
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21371035, 21473036) and SINOPEC (X514005).

摘要/Abstract

摘要：

苯酚是一种重要的化工原料，目前苯酚的工业生产路线普遍存在工艺流程复杂、苯酚收率低和环境污染严重等问题.为实现苯酚的绿色生产，苯直接氧化制苯酚的合成路线受到各国研究者的广泛关注.在苯直接羟基化反应常用的N2O，O₂和H₂O₂三类氧化剂中，N2O由于来源有限，其工业应用受到极大限制；而O₂不易活化，且反应过程中常需还原剂存在，苯酚收率低；相比之下，H₂O₂作为氧化剂，其唯一副产物是H₂O，而且反应条件温和，因而以H₂O₂为氧化剂的苯羟基化反应是最具工业应用前景的苯酚合成路线.然而，由于苯分子中的C-H键非常稳定，活化能较高，同时产物苯酚的反应活性要高于反应物苯，因此，为实现苯的高效转化，积极探索研究高活性和稳定性的催化剂变得尤为重要.
在我们之前的研究中发现，包含大π体系的氧化石墨烯载体有利于具有同样π共轭体系的反应物苯的吸附，进而促进苯的转化，提高反应活性.而石墨相氮化碳（g-C₃N₄）具有与氧化石墨烯类似的π共轭体系，且表面具有大量的活性位点和缺陷位，对苯环类物质具有较好的活化作用，这使其可能成为更优异的载体材料.基于此，以g-C₃N₄为载体，采用浸渍法制备了一系列不同钒含量的催化剂xV/g-C₃N₄，并通过XRD，FT-IR，TEM，TG等表征技术对催化剂进行了系统研究，以期揭示催化剂结构与反应活性之间的构效关系.
XRD的表征结果表明，xV/g-C₃N₄仍具有载体g-C₃N₄的层状堆积结构，且该结构不受钒负载量变化的影响.同时，xV/g-C₃N₄中钒物种的分散度较高，未发生团聚晶化.更直观地，通过TEM观察发现，xV/g-C₃N₄中的钒物种均匀分散.FT-IR的表征结果说明钒物种与g-C₃N₄之间存在较强的相互作用.此外，通过TG表征发现，g-C₃N₄高温稳定性较好，即使焙烧温度高达550℃，其结构仍不受影响.综上所述，在xV/g-C₃N₄催化剂中，载体g-C₃N₄的结构非常稳定，经负载钒物种以及焙烧处理后仍能保持不变；而钒物种与g-C₃N₄之间存在较强的相互作用，且均匀分散，使催化剂具有较高的稳定性和较好的催化性能.
在以H₂O₂为氧化剂，80 wt%醋酸溶液为溶剂的苯直接氧化制苯酚反应中，xV/g-C₃N₄催化剂显示了良好的催化活性，其中反应活性最高的是8V/g-C₃N₄催化剂，在最佳反应条件下，苯酚的收率和选择性分别达到24.4%和99.2%.同时，通过计算TOF值发现，8V/g-C₃N₄的TOF值高达13.1 h^-1，远高于文献中报道的以C₃N₄为载体的催化剂的TOF值（0.52-0.59h^-1），这表明xV/g-C₃N₄催化剂具有优异的催化活性.此外，以8V/g-C₃N₄为代表又进一步考察了催化剂的稳定性，在回收重复实验中催化剂的活性保持稳定.

关键词: 氮化碳, 钒, 苯羟基化, 苯酚, 浸渍法

Abstract:

A series of graphitic carbon nitride supported vanadium catalysts (xV/g-C₃N₄) with different vana-dium contents (x/%) were prepared by impregnation. XRD, FT-IR, TEM, TG-DTG, nitrogen adsorp-tion and XPS characterizations were conducted which revealed a strong interaction between the vanadium species and g-C₃N₄ support. 8V/g-C₃N₄ exhibited the highest activity and showed stable recyclability in the benzene hydroxylation reaction with a benzene conversion of 24.6% and phenol selectivity of 99.2% under the optimized conditions. The excellent catalytic performance of xV/g-C₃N₄ was due to the integration of vanadium species with high catalytic activity and the g-C₃N₄ support in their interaction with the benzene substrate.

Key words: Carbon nitride, Vanadium, Benzene hydroxylation, Phenol, Impregnation

王成, 胡丽雅, 王美银, 任远航, 岳斌, 贺鹤勇. 石墨相氮化碳负载钒作为多相催化剂用于苯直接氧化制苯酚[J]. 催化学报, 2016, 37(11): 2003-2008.

Cheng Wang, Liya Hu, Meiyin Wang, Yuanhang Ren, Bin Yue, Heyong He. Vanadium supported on graphitic carbon nitride as a heterogeneous catalyst for the direct oxidation of benzene to phenol[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2016, 37(11): 2003-2008.

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参考文献

[1] H. Z. Liu, T. Jiang, B. X. Han, S. G. Liang, Y. X. Zhou, Science, 2009, 326, 1250-1252.
[2] C. He, J. J. Li, P. Li, J. Cheng, Z. P. Hao, Z. P. Xu, Appl. Catal. B, 2010, 96, 466-475.
[3] P. F. Zhang, Y. T. Gong, H. R. Li, Z. R. Chen, Y. Wang, RSC Adv., 2013, 3, 5121-5126.
[4] R. Kumar, P. Mukherjee, A. Bhaumik, Catal. Today, 1999, 49, 185-191.
[5] K. Nomiya, K. Yagishita, Y. Nemoto, T. A. Kamataki, J. Mol. Catal. A, 1997, 126, 43-53.
[6] Y. Y. Gu, X. H. Zhao, G. R. Zhang, H. M. Ding, Y. K. Shan, Appl. Catal. A, 2007, 328, 150-155.
[7] P. R. Makgwane, S. S. Ray, Appl. Catal. A, 2015, 492, 10-22.
[8] M. Iwamoto, J. Hirata, K. Matsukami, S. Kagawa, J. Phys. Chem., 1983, 87, 903-905.
[9] Y. K. Masumoto, R. Hamada, K. Yokota, S. Nishiyama, S. Tsuruya, J. Mol. Catal. A., 2002, 184, 215-222.
[10] N. K. Renuka, J. Mol. Catal. A, 2010, 316, 126-130.
[11] H. Yamanaka, R. Hamada, H. Nibuta, S. Nishiyama, S. Tsuruya, J. Mol. Catal. A, 2002, 178, 89-95.
[12] R. Leanza, I. Rossetti, I. Mazzola, L. Forni, Appl. Catal. A, 2001, 205, 93-99.
[13] X. F. Zhang, Prog. Chem., 2008, 20, 386-395.
[14] C. Wang, L. Y. Hu, Y. C. Hu, Y. H. Ren, X. Y. Chen, B. Yue, H. Y. He, Catal. Commun., 2015, 68, 1-5.
[15] Y. T. Gong, P. F. Zhang, X. Xu, Y. Li, H. R. Li, Y. Wang, J. Catal., 2013, 297, 272-280.
[16] Y. T. Gong, M. M. Li, H. R. Li, Y. Wang, Green Chem., 2015, 17, 715-736.
[17] F. Goettmann, A. Thomas, M. Antonietti, Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 2717-2720.
[18] D. J. Martin, K. P. Qiu, S. A. Shevlin, A. D. Handoko, X. W. Chen, Z. X. Guo, J. W. Tang, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 9240-9245.
[19] L. M. Song, S. J. Zhang, X. Q. Wu, H. F. Tian, Q. W. Wei, Ind. Eng. Chem. Res., 2012, 51, 9510-9514.
[20] X. H. Li, X. C. Wang, M. Antonietti, ACS Catal., 2012, 2, 2082-2086.
[21] J. Xu, Q. Jiang, J. K. Shang, Y. Wang, Y. X. Li, RSC Adv., 2015, 5,92526-92533.
[22] F. Goettmann, A. Fischer, M. Antonietti, A. Thomas, Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 4467-4471.
[23] X. F. Chen, J. S. Zhang, X. Z. Fu, M. Antonietti, X. C. Wang, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 11658-11659.
[24] Z. Y. Long, Y. Zhou, G. J. Chen, W. L. Ge, J. Wang, Sci. Rep., 2014, 4, 3651-3656.
[25] G. D. Ding, W. T. Wang, T. Jiang, B. X. Han, H. L. Fan, G. Y. Yang, ChemCatChem, 2013, 5, 192-200.
[26] J. Xu, Q. Jiang, T. Chen, F. Wu, Y. X. Li, Catal. Sci. Technol., 2015, 5, 1504-1513.
[27] F. Dong, L. W. Wu, Y. J. Sun, M. Fu, Z. B. Wu, S. C. Lee, J. Mater. Chem., 2011, 21, 15171-15174.
[28] M. J. Bojdys, J. O. Müller, M. Antonietti, A. Thomas, Chem. Eur. J., 2008, 14, 8177-8182.
[29] S. C. Yan, Z. S. Li, Z. G. Zou, Langmuir, 2009, 25, 10397-10401.
[30] P. Gibot, F. Schnell, D. Spitzer, Micropor. Mesopor. Mater., 2016, 219, 42-47.
[31] D. Ghosh, G. Periyasamy, S. K. Pati, J.Phys. Chem. C, 2014, 118, 15487-15494.
[32] S. B. Kristensen, A. J. Kunov-Kruse, A. Riisager, S. B. Rasmussen, R. Fehrmann, J. Catal., 2011, 284, 60-67.
[33] T. T. Li, L. H. Zhao, Y. M. He, J. Cai, M. F. Luo, J. J. Lin, Appl. Catal. B, 2013, 129, 255-263.
[34] G. Silversmit, D. Depla, H. Poelman, G. B. Marin, R. De Gryse, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom., 2004, 135, 167-175.
[35] K. Nomiya, Y. Nemoto, T. Hasegawa, S. Matsuoka, J. Mol. Catal. A, 2000, 152, 55-68.o, J. J. Lin, Appl. Catal. B, 2013, 129, 255-263.
[34] G. Silversmit, D. Depla, H. Poelman, G. B. Marin, R. De Gryse, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom., 2004, 135, 167-175.
[35] K. Nomiya, Y. Nemoto, T. Hasegawa, S. Matsuoka, J. Mol. Catal. A, 2000, 152, 55-68.

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[1]	Mengistu Tulu Gonfa, 申升, 陈浪, 胡彪, 周威, 白张君, 区泽堂, 尹双凤. 光催化苯制苯酚的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 49(6): 16-41.
[2]	夏思源, 李奇远, 张仕楠, 许冬, 林秀, 孙露菡, 许景三, 陈接胜, 李国栋, 李新昊. Pd纳米立方体异质结尺寸依赖的电子界面效应对苯酚加氢反应的促进作用[J]. 催化学报, 2023, 49(6): 180-187.
[3]	韦之栋, 严嘉玮, 郭伟琦, 上官文峰. 多面体SrTiO₃原位生长N缺陷PCN中的纳米叠层效应助力光催化完全分解水: 内建电场调控的协同机制[J]. 催化学报, 2023, 48(5): 279-289.
[4]	Sue-Faye Ng, 陈星竹, Joel Jie Foo, 熊墨, Wee-Jun Ong. 2D氮化碳: 通过调节非金属硼掺杂C₃N₅阐明宽酸性及碱性pH范围的光催化析氢的反应机理[J]. 催化学报, 2023, 47(4): 150-160.
[5]	李瀚, 陶善仁, 万思杰, 邱国根, 龙庆, 余家国, 曹少文. ZnCdS纳米球和二苯并噻吩修饰的g-C₃N₄构成的S型异质结用于增强光催化产氢[J]. 催化学报, 2023, 46(3): 167-176.
[6]	邵潮晨, 何晴, 张默淳, 贾麟, 纪玉金, 胡永攀, 李有勇, 黄伟, 李彦光. 氮化碳启发的共价有机框架光催化剂用于高效过氧化氢光合成[J]. 催化学报, 2023, 46(3): 28-35.
[7]	曾繁林, 朱虎林, 王茹楠, 袁晓亚, 孙凯, 屈凌波, 陈晓岚, 於兵. 一种用于光催化C(sp²)‒H键官能团化通用的非均相钒酸铋催化剂[J]. 催化学报, 2023, 46(3): 157-166.
[8]	陈成成, 刘芳庭, 张巧钰, 张正国, 刘琼, 方晓明. 理论设计和实验研究吡啶掺杂聚合氮化碳提升光催化CO₂还原性能[J]. 催化学报, 2023, 46(3): 91-102.
[9]	钟蕤羽, 梁玉洁, 黄菲, 梁诗诺, 刘升卫. 一维g-C₃N₄/二维Ti₃C₂T_x界面调制促进光催化CO₂还原活性与选择性[J]. 催化学报, 2023, 53(10): 109-122.
[10]	桂清文, 滕帆, 喻鹏, 吴一帆, 农志彬, 杨龙汐, 陈祥, 阳天宝, 何卫民. 可见光诱导Z型V₂O₅/g-C₃N₄异质结催化未活化烯烃串联反应[J]. 催化学报, 2023, 44(1): 111-116.
[11]	李志伟, 黄辉庭, 罗文俊, 胡颖飞, 范容莉, 朱治, 王骏, 冯建勇, 李朝升, 邹志刚. 电化学处理构建表面电荷传输通道用于高效光电催化分解水[J]. 催化学报, 2022, 43(9): 2342-2353.
[12]	李超, 宋晨杰, 李慧, 叶立群, 徐怡雪, 黄应平, 聂工哲, 张如梦, 刘维, 黄妞, 王保强, 马天翼. 用于过氧单硫酸盐活化的超耐用氟化V₂AlC[J]. 催化学报, 2022, 43(7): 1927-1936.
[13]	陈方帅, 吴崇备, 郑耿锋, 曲良体, 韩庆. 少层氮化碳光催化剂合成太阳燃料和高附加值化学品: 现状与展望[J]. 催化学报, 2022, 43(5): 1216-1229.
[14]	何杰, 王选东, 金尚彬, 刘兆清, 朱明山. 二维非金属的石墨相氮化碳/共价三嗪骨架异质结构材料用于高效和高选择性光催化二氧化碳还原[J]. 催化学报, 2022, 43(5): 1306-1315.
[15]	彭聪, 韩利晓, 黄金铭, 汪圣尧, 张晓虎, 陈浩. C₃N₅光催化制氢性能的系统研究[J]. 催化学报, 2022, 43(2): 410-420.