黄豆杆制备氮掺杂碳材料催化还原硝基苯制苯胺

doi:10.7503/cjcu20250077

摘要/Abstract

摘要：

黄豆杆作为一种可再生的生物质资源，其成本低廉、环境友好，具有高值利用的开发潜力. 将黄豆杆经预碳化、水热、活化和碳化等处理转化为氮掺杂碳材料SSC-X，通过控制制备条件调变SSC-X的孔隙结构、比表面积、缺陷位量及氮物种的构型，优化其催化硝基苯加氢反应的性能. 催化剂SSC-800在水合肼作还原剂的环己烷溶剂中于80 ℃反应0.75 h，硝基苯转化率为100%，苯胺选择性为大于99%，循环使用8次后仍具有良好的催化活性，苯胺的收率保持在99%以上.

关键词: 生物质, 黄豆杆衍生碳材料, 硝基苯, 催化作用

Abstract:

Soybean stalk， as a renewable biomass resource with low cost and environmental friendliness， demonstrates significant potential for high-value utilization. Through sequential treatments including pre-carbonization， hydrothermal processing， activation， and carbonization， soybean stalks were converted into nitrogen-doped carbon materials SSC-X. By controlling preparation conditions， the porous structure， specific surface area， defect sites， and nitrogen species configuration of SSC-X were modulated to optimize its catalytic performance in nitrobenzene hydrogenation. The SSC-800 catalyst exhibits nitrobenzene conversion of 100% and aniline selectivity of >99% within 0.75 h at 80 ℃ in cyclohexane solvent using hydrazine hydrate as reducing agent. Remarkably， the catalyst maintains excellent recyclability with aniline yield over 99% after 8 cycles. This work achieves sustainable utilization of agricultural waste of soybean stalks and provides a novel strategy for developing efficient， low-cost， and environmentally friendly biomass-derived carbon-based catalysts.

Key words: Biomass, Soybean stalks-derived carbon material, Nitrobenzene, Catalysis

中图分类号:

O643.36

TrendMD:

高文秀, 刘柏, 康家宁, 袁诗淇, 高永平, 赵翠翠, 张志会. 黄豆杆制备氮掺杂碳材料催化还原硝基苯制苯胺. 高等学校化学学报, 2025, 46(9): 20250077.

GAO Wenxiu, LIU Bai, KANG Jianing, YUAN Shiqi, GAO Yongping, ZHAO Cuicui, ZHANG Zhihui. Nitrogen-doped Carbon Materials Derived from Soybean Stalk Catalyzing Reduction of Nitrobenzene to Aniline. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(9): 20250077.

图/表 14

参考文献 39

[1]	Wu X.， Luo N.， Xie S.， Zhang H.， Zhang Q.， Wang F.， Wang Y.， Chem. Soc. Rev.， 2020， 49（17）， 6198—6223
[2]	Gao R.， Zhang Y.， Han C.， Gui H.， Yao C.， Ni C.， Li X.， Green Chem.， 2023， 25（21）， 8706—8717
[3]	Sun S.， Liu Z.， Xu Z. J.， Wu T.， Applied Catalysis B： Environ. Energy， 2024， 358， 124404
[4]	Zhu S.， Ke J.， Li X.， Zheng Z.， Guo R.， Chen J.， Green Chem.， 2024， 26（11）， 6361—6381
[5]	Belluati M.， Tabasso S.， Calcio Gaudino E.， Cravotto G.， Manzoli M.， Green Chem.， 2024， 26（15）， 8642—8668
[6]	González⁃Arias J.， Zhang Z.， Reina T. R.， Odriozola J. A.， Environ. Chem. Lett.， 2023， 21（6）， 3089—3104
[7]	Xu J. N.， Bai W. J.， Lou Y. H.， Yu H. P.， Dou S.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（5）， 20220749
	徐佳宁，白文静，楼雨寒，于海鹏，窦烁. 高等学校化学学报， 2023， 44（5）， 20220749
[8]	Li S. Q.， Song H.， Hu J. H.， Yang H. P.， Zou J.， Zhu Y. J.， Tang Z. Y.， Chen H. P.， Fuel， 2021， 297， 120780
[9]	Zhang L.， Zhao X.， Zhang T.， Li C.， Jiao S.， Liu J.， Li P.， Tao Y.， Chen H.， Ind. Crops Prod.， 2021， 174， 114180
[10]	Duan R.， Ma S. L.， Xu S. J.， Wang B. B.， He M. F.， Li G. X.， Fu H. C.， Zhao P.， Water Res.， 2022， 218， 118489
[11]	Meng X. R.， Gao S.， Liu N. X.， Wu P. D.， Fang Z.， Chem. Eng. J.， 2024， 500， 157463
[12]	Tian Y.， Wang F.， Djandja J. O.， Zhang S. L.， Xu Y. P.， Duan P. G.， Fuel， 2020， 265， 116946
[13]	Zhu Q. L.， Dai L. C.， Wu B.， Tan F. R.， Wang W. G.， Tang X. Y.， Wang Y. W.， He M. X.， Hu G. Q.， Bioresources， 2017， 12（2）， 2284—2295
[14]	Tahir M. H.， Irfan R. M.， Hussain M. B.， Alhumade H.， Al⁃Turki Y.， Cheng X. X.， Karim A.， Ibrahim M.， Rathore H. A.， ACS Omega， 2021， 6（49）， 33694—33700
[15]	Chen J. F.， Wang P. Y.， Ding L. S.， Yu T.， Leng S. Q.， Chen J.， Fan L. L.， Li J. J.， Wei L.， Li J.， Lu Q.， Leng L. J.， Zhou W. U.， J. Anal. Appl. Pyrol.， 2021， 156， 105070
[16]	Xu S.， Chen J.， Peng H.， Leng S.， Li H.， Qu W.， Hu Y.， Li H.， Jiang S.， Zhou W.， Leng L.， Fuel， 2021， 291， 120128
[17]	Zhang X.， Wu J.， Yang H.， Shao J.， Wang X.， Chen Y.， Zhang S.， Chen H.， RSC Adv.， 2016， 6（100）， 98157—98166
[18]	Gonzalez P. G. A.， de Jesus Gariboti J. C.， Leal Silva J. F.， Lopes E. S.， Abaide E. R.， Lopes M. S.， Concha V. O. C.， Felisbino R. F.， Gomes E. L.， Tovar L. P.， Bioenerg. Res.， 2022， 16（2）， 717—740
[19]	Liu Y.， Su M.， Li D.， Li S.， Li X.， Zhao J.， Liu F.， RSC Adv.， 2020， 10（12）， 6763—6771
[20]	Hou N.， Li X.， Jiang X.， Zhang N.， Wang R.， Li D.， Sci. Total Environ.， 2022， 844， 157145
[21]	Zhang Y.， Jiang Q.， Jiang S.， Li H.， Zhang R.， Qu J.， Zhang S.， Han W.， Chem. Eng. J.， 2021， 420， 129868
[22]	Gao Y. P.， Liu B.， Kang J. N.， Lyu J. Q.， Yu Z. G.， Zhang Z. H.， Gao W. X.， Chem. J. Chinese Universities， 2024， 45（5）， 20240040
	高永平，刘柏，康家宁，吕杰琼，于泽广，张志会，高文秀，高等学校化学学报， 2024， 45（5）， 20240040
[23]	Gao W.， Gao Y.， Liu B.， Kang J.， Zhang Z.， Zhang M.， Zou Y.， RSC Adv.， 2024， 14（8）， 5055—5060
[24]	Qu Y.， An H.， Zhao X.， Wang Y.， Chem. Eng. J.， 2024， 496， 153949
[25]	Qi H.， Wang X.， Lei M.， Fan W.， Huang S.， Zhu L.， Tang H.， Chem. Eng. J.， 2024， 500， 157057
[26]	Liu N.， Ding L.， Li H.， Jia M.， Zhang W.， An N.， Yuan X.， J. Colloid Interface Sci.， 2017， 490（2017）， 677—684
[27]	Yang H.， Yan R.， Chen H.， Lee D. H.， Zheng C.， Fuel， 2007， 86（12/13）， 1781—1788
[28]	Xu Y. X.， Chen X. C.， Wu D.， Luo Y. J.， Liu X. P.， Qian Q. R.， Xiao L. R.， Chen Q. H.， Carbon Lett.， 2018， 25（1）， 68—77
[29]	Liu X.， Zhang M.， Yu D.， Li T.， Wan M.， Zhu H.， Du M.， Yao J.， Electrochim. Acta， 2016， 215， 223—230
[30]	Zhang Z. H.， Yuan Z. L.， Liu B.， Jin S. W.， A C⁃N Material Catalyst and a Method for Preparing Amine Compounds by Catalyzing the Reduction of Nitro Compounds Using It， CN 108160098B， 2021⁃03⁃02
	张泽会，袁紫亮，刘冰，金士威. 一种C—N材料催化剂及利用其催化硝基化合物的还原制备胺类化合物的方法， CN 108160098B， 2021⁃03⁃02
[31]	Liao C.， Liu B.， Chi Q.， Zhang Z.， ACS Appl. Mater. & Interfaces， 2018， 10（51）， 44421—44429
[32]	Hu X.， Long Y.， Fan M.， Yuan M.， Zhao H.， Ma J.， Dong Z.， Appl. Catal. B： Environ. Energy， 2019， 244（1）， 25—35
[33]	Ma Z.， Chen J.， Chen M.， Dong L.， Mao W.， Long Y.， Ma J.， Mol. Catal.， 2023， 547， 113372
[34]	Lu X.， Wang D.， Ge L.， Xiao L.， Zhang H.， Liu L.， zhang J.， An M.， Yang P.， New J. Chem.， 2018， 42（24）， 19665—19670
[35]	Lv J.， Zheng Y.， Zhu Y.， Yuan M.， Chang Y.， Dong Z.， ChemistrySelect， 2019， 4（14）， 4083—4091
[36]	Chen X.， Shen Q.， Li Z.， Wan W.， Chen J.， Zhang J.， ACS Applied Materials & Interfaces， 2019， 12（1）， 654—666
[37]	Wang H.， Li X.， Cui Z.， Yang L.， Sun S.， Reaction Kinetics， Mechanisms and Catalysis， 2020， 130（1）， 331—346
[38]	Yang Y.， Bu Y.， Long X. l.， Zhou Z. k.， Wang J.， Cai J. j.， New Carbon Materials， 2023， 38（3）， 555—563
[39]	Han D.， Liu Y.， Lv Y.， Xiong W.， Hao F.， Luo H.， Liu P.， Carbon， 2023， 203（1）， 347—356

Sample	BET surface area/（m²·g^-1）	Pore volume/（cm³·g^-1）	Average pore size/nm
SSC⁃600	590	0.32	2.20
SSC⁃700	696	0.38	2.18
SSC⁃800	1018	0.59	2.23

Sample	BET surface area/（m²·g^-1）	Pore volume/（cm³·g^-1）	Average pore size/nm
SSC⁃600	590	0.32	2.20
SSC⁃700	696	0.38	2.18
SSC⁃800	1018	0.59	2.23

Sample	N（%）	Nitrogen species（%）
Sample	N（%）	Pyridinic	Pyrrolic	Graphitic	Oxidized
SSC⁃600	1.04	23	34	36	7
SSC⁃700	0.86	22	30	41	8
SSC⁃800	0.85	20	26	47	7

Sample	N（%）	Nitrogen species（%）
Sample	N（%）	Pyridinic	Pyrrolic	Graphitic	Oxidized
SSC⁃600	1.04	23	34	36	7
SSC⁃700	0.86	22	30	41	8
SSC⁃800	0.85	20	26	47	7

Entry	Catalyst	Pre⁃carbonization temperature/℃	Hydrothermal temperature/℃	KOH Mass/g	Carbonization temperature/℃	Conversion（%）	10^-3TOF/ （mol·g^-1·h^-1）
1	SSP⁃350	350	150	5	800	100	8
2	SSP⁃400	400	150	5	800	84	7
3	SSP⁃450	450	150	5	800	77	6
4	SSH⁃120	350	120	5	800	88	7
5	SSH⁃150	350	150	5	800	100	8
6	SSH⁃180	350	180	5	800	89	7
7	SSK⁃1∶1	350	150	1	800	20	2
8	SSK⁃1∶3	350	150	3	800	83	7
9	SSK⁃1∶5	350	150	5	800	100	8
10	SSC⁃600	350	150	5	600	85	7
11	SSC⁃700	350	150	5	700	94	8
12	SSC⁃800	350	150	5	800	100	8