Nitrogen-doped Carbon Material MG-T Heterogeneous Catalyzed Hydrogenation of Nitrobenzene to Aniline

doi:10.7503/cjcu20240040

Abstract

Abstract:

Aniline， as an important chemical intermediate， is mainly prepared by catalyzing the hydrogenation of nitrobenzene. In this study， a sacrificial template MCA was prepared using melamine and cyanuric acid， and the precursor MG was synthesized using glucose as the carbon source， and nitrogen-doped carbon material MG-T（T/℃， denotes the carbonation temperature） was obtained by high-temperature carbonization， which was used in the heterogeneous catalytic nitrobenzene hydrogenation to aniline reaction. A preliminary study of the reaction mechanism was carried out by combining the results of material characterisation and catalytic evaluation. The experimental results indicated that the carbonisation temperature affects the change of nitrogen species configuration in MG-T， and the graphitic nitrogen plays a key role in the hydrogenation activity of the catalysts. The catalyst MG-800 reacted in ethanol solvent with hydrazine hydrate as the reducing agent at 80 ℃ for 4 h. The conversion of nitrobenzene was 96%， the product selectivity was 100%， and the catalyst could be recycled at least 9 times， with good stability and recyclability， which is a class of recyclable heterogeneous catalysts for the hydrogenation of nitrobenzene to aniline.

Key words: Nitrogen-doped carbon material, Nitrobenzene hydrogenation, Heterogeneous catalysis, Aniline

CLC Number:

O643.36

TrendMD:

GAO Yongping, LIU Bai, KANG Jianing, LYU Jieqiong, YU Zeguang, ZHANG Zhihui, GAO Wenxiu. Nitrogen-doped Carbon Material MG-T Heterogeneous Catalyzed Hydrogenation of Nitrobenzene to Aniline[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(5): 20240040.

Figures/Tables 12

References 31

1	Yao R. Q.， Li Y. Q.， Zhang X.， Zhao Y. M.， Wang Y. H.， Lang X. Y.， Jiang Q.， Tan H. Q.， Li Y. G.， Chem. Eng. J.， 2023， 471， 144487
2	Formenti D.， Ferretti F.， Scharnagl F. K.， Beller M.， Chem. Rev.， 2019， 119（4）， 2611—2680
3	Aljahdali M. S.， Amin M. S.， Mohamed R. M.， Mater. Res. Bull.， 2018， 99， 161—167
4	Wang X. T.， Yang C. Y.， Wang P. Z.， Shen C.， Chem. Eng. J.， 2023， 470， 144195
5	Lu A. Q.， Xiang X. K.， Lei M.， Huang S. S.， Liang B. B.， Zhao S. Y.， Zhu L. H.， Tang H. Q.， J. Environ. Sci.， 2023， https： //doi.org/10.1016/j.jes.2023.10.010
6	Song J. J.， Huang Z. F.， Pan L.， Zou J. J.， Zhang X. W.， Wang L.， ACS Catal.， 2015， 5（11）， 6594—6599
7	Liu X. E.， Dai L. M.， Nat. Rev. Mater.， 2016， 1（11）， 16064
8	Liu J. Y.， Yan X. D.， Wang L. X.， Kong L. M.， Jian P. M.， J. Colloid Interface Sci.， 2017， 497， 102—107
9	Li R. S.， Miao Z. P.， Li J.， Tian X. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（5）， 20220730
	李瑞松，苗政培，李静，田新龙. 高等学校化学学报， 2023， 44（5）， 20220730
10	Luo S. C.， Long Y.， Liang K.， Qin J. H.， Qiao Y.， Li J.， Yang G. X.， Ma J. T.， Green Chem.， 2021， 23（21）， 8545—8553
11	Wang S. Y.， Jing W.， Chang J. W.， Lu S. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（5）， 20220733
	王斯阳，敬稳，常江伟，卢思宇. 高等学校化学学报， 2023， 44（5）， 20220733
12	Wan W. C.， Zhao Y. G.， Meng J.， Allen C. S.， Zhou Y.， Patzke G. R.， Small， 2023， 20（7）， 2304663
13	Zheng X. C.， Chen S.， Li J. Z.， Wu H.， Zhang C.， Zhang D. Y.， Chen X.， Gao Y.， He F.， Hui L.， Liu H. B.， Jiu T. G.， Wang N.， Li G. X.， Xu J. L.， Xue Y. R.， Huang C. S.， Chen C. Y.， Guo Y. B.， Lu T. B.， Wang D.， Mao L. Q.， Zhang J.， Zhang Y.， Chi L. F.， Guo W. L.， Bu X. H.， Zhang H. J.， Dai L. M.， Zhao Y. L.， Li Y. L.， ACS Nano， 2023， 17（15）， 14309—14346
14	Fan M. Y.， Long Y.， Zhu Y. Y.， Hu X. W.， Dong Z. P.， Appl. Catal. A： Gen.， 2018， 568， 130—138
15	Chen D.， Wu L.， Nie S. Y.， Zhang P. F.， J. Environ. Chem. Eng.， 2021， 9（4）， 105649
16	Fiorio J. L.， Garcia M. A. S.， Gothe M. L.， Galvan D.， Troise P. C.， Conte C. A.， Vidinha P.， Camargo P. H. C.， Rossi L. M.， Coord. Chem. Rev.， 2023， 481， 215053
17	Zhang H.， Zhang C. F.， Zhang Y. R.， Cui P. L.， Zhang Y. F.， Wang L.， Wang H. L.， Gao Y. J.， Appl. Surf. Sci.， 2019， 487， 616—624
18	Bide Y.， Jahromi N. N.， Sci. Rep.， 2023， 13（1）， 1212
19	Villora⁃Picó J. J.， Gil⁃Muñoz G.， Sepúlveda⁃Escribano A.， Pastor⁃Blas M. M.， Int. J. Hydrog. Energy， 2024， 53， 490—502
20	Xia Z. Y.， Wang B. W.， Li J. Y.， Zhang F. Y.， Chen L. G.， Li Y.， New J. Chem.， 2023， 47（12）， 5621—5624
21	Xiong W.， Wang Z. N.， He S. L.， Hao F.， Yang Y. Z.， Lv Y.， Zhang W. B.， Liu P. L.， Luo H. A.， Appl. Catal. B， 2020， 260， 118105
22	Hu X. W.， Long Y.， Fan M. Y.， Yuan M.， Zhao H.， Ma J. T.， Dong Z. P.， Appl. Catal. B： Environ.， 2019， 244， 25—35
23	Ma Z. Y.， Chen J.， Chen M.， Dong L. K.， Mao W. W.， Long Y.， Ma J. T.， Mol. Catal.， 2023， 547， 113372
24	Gao W. X.， Gao Y. P.， Liu B.， Kang J. N.， Zhang Z. H.， Zhang M.， Zou Y. C.， RSC Adv.， 2024， 14， 5055—5060
25	Arrachart G.， Carcel C.， Trens P.， Moreau J. J. E.， Man M. W. C.， Chem. Eur. J.， 2009， 15（25）， 6279—6288
26	Qian Y. Q.， Du P.， Wu P.， Cai C. X.， Gervasio D. F.， J. Phys. Chem. C， 2016， 120（18）， 9884—9896
27	He B.， Liu F. J， Yan S. K.， J. Mater. Chem. A， 2017， 5（34）， 18064—18070
28	Lu X. Y.， Wang D.， Ge L. P.， Xiao L. H.， Zhang H. Y.， Liu L. L.， Zhang J. Q.， An M. Z.， Yang P. X.， New J. Chem.， 2018， 42（24）， 19665—19670
29	Gao W. X.， Xing S. Y.， Lv J. Q.， Xie H.， Lou D. W.， Wang J. S.， Zhang Z. Z.， Preparation of a Nitrogen⁃doped Carbon Nanomaterial and Its Application in Nitrobenzene Hydrogenation Reaction， CN 112138698B， 2021⁃03⁃16
	高文秀，邢树宇，吕杰琼，谢晖，娄大伟，王集思，张志会. 一种氮掺杂碳纳米材料的制备方法及其在硝基苯加氢反应中的应用， CN 112138698B， 2021⁃03⁃16
30	Liao C. J.， Liu B.， Chi Q.， Zhang Z. H.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（51）， 44421—44429
31	Thomball P. R.， Rao K. M.， Zo S. M.， Narayanan K. B.， Thombal R. S.， Han S. S.， Catal. Lett.， 2021， 152（2）， 538—546

Entry	Sample	BET surface area/（m²·g^-1）	Pore volume/（cm³·g^-1）	Average pore size/nm
1	MG	14	0.033	9
2	MG⁃600	261	1.450	22
3	MG⁃700	370	1.500	16
4	MG⁃800	574	1.900	13

Entry	Sample	BET surface area/（m²·g^-1）	Pore volume/（cm³·g^-1）	Average pore size/nm
1	MG	14	0.033	9
2	MG⁃600	261	1.450	22
3	MG⁃700	370	1.500	16
4	MG⁃800	574	1.900	13

Sample	N（%）	Nitrogen species（%）
Sample	N（%）	Pyridinic	Pyrrolic	Graphitic
MG⁃600	14.63	57	14	29
MG⁃700	10.25	54	7	38
MG⁃800	5.48	49	5	46

Sample	N（%）	Nitrogen species（%）
Sample	N（%）	Pyridinic	Pyrrolic	Graphitic
MG⁃600	14.63	57	14	29
MG⁃700	10.25	54	7	38
MG⁃800	5.48	49	5	46

Entry	Catalyst（dosage， mg）	n（Nitrobenzene）/ n（Hydrazine hydrate）	Temperature/℃	Solvent	Conversion（%）	10³ TOF/（mol·g^-1·h^-1）
1	Blank	1∶10	80	Ethanol	5	0.6
2	MG（10）	1∶10	80	Ethanol	5	0.6
3	MG⁃600（10）	1∶10	80	Ethanol	41	5.1
4	MG⁃700（10）	1∶10	80	Ethanol	74	9.3
5	MG⁃800（10）	1∶10	80	Ethanol	96	12.0
6	MG⁃800（10）	1∶8	80	Ethanol	74	9.3
7	MG⁃800（10）	1∶6	80	Ethanol	54	6.8
8	MG⁃800（10）	1∶10	70	Ethanol	49	6.2
9	MG⁃800（10）	1∶10	60	Ethanol	25	3.1
10	MG⁃800（10）	1∶10	80	Cyclohexane	85	10.6
11	MG⁃800（10）	1∶10	80	Toluene	59	7.4
12	MG⁃800（15）	1∶10	80	Ethanol	100	8.3
13	MG⁃800（5）	1∶10	80	Ethanol	35	8.8