一种基于PET废塑料制备甲酸和氢气的光电催化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于PET废塑料制备甲酸和氢气的光电催化方法；包括(1)利用水热合成和高温退火方法制备具有纳米棒状结构的三氧化二铁(Fe2O3)光电阳极基底；(2)利用水热合成方法在三氧化二铁光电阳极基底上修饰镍氢氧化物(Ni(OH)

【技术实现步骤摘要】
一种基于PET废塑料制备甲酸和氢气的光电催化方法


[0001]本专利技术属于光电催化资源化转化废塑料
，涉及一种基于PET废塑料制备甲酸和氢气的光电催化方法，还涉及一种镍氢氧化物修饰的三氧化二铁光电阳极材料及其制备和应用。

技术介绍

[0002]随着世界经济的蓬勃发展，人们对集便利性、耐用性、多功能性、易加工性和成本低廉等特征于一身的塑料制品的需求量日益增加。然而作为一把双刃剑，塑料聚合物超高的物理化学稳定性在给人们生产和生活提供便利的同时，大量“用后即弃”的塑料废弃物也引发了一系列的环境危机。全世界只有不到20％的废塑料可以得到有效处理或回收加工，大量被弃置的废塑料会进入含水生和陆地生态系统，终会通过生物链进入人体对人类生命健康产生威胁。因此当前亟需合理的废塑料处理手段来缓解废塑料对自然环境和人类生命健康带来的严重危害。
[0003]鉴于此，世界各国都在积极寻找和开发废塑料回收或资源化转化的途径。当前研究领域更加关注对塑料废弃物的资源化转化过程，以可再生能源为能量输入，在温和的反应条件下可以将废塑料高效率高选择性地升级改造为高附加值的化工原料和燃料。目前，太阳能驱动的光催化反应作为废塑料资源化转化过程的有效途径之一，可以表现出较高的目标产物的选择性，但是受半导体较低的光电转化效率的限制，光催化反应的效率尚不能满足实际工业生产的需求；以可再生绿色电力驱动的电催化反应作为废塑料资源化转化过程的另一有效途径，可以表现出较高的转化效率，并且表现出广阔的工业化应用前景。结合光催化反应的高选择性和电催化反应的高效率性的两大优势，光电催化反应既可以利用外加电压促进半导体材料光生载流子的分离与传输速率，提高光电转化效率；又可以利用半导体材料将光能转化为电能，降低电化学反应的电能输入，被视为最具有潜力的废塑料资源化转化过程之一。因此，针对基于光电催化废塑料资源化转化的研究具有非常重要的实际应用意义。
[0004]光电催化过程凭借其上述诸多优势，在有机合成和生物质衍生物的资源化转化方面已被广泛研究。例如在2015年，Kyoung
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Shin Choi课题组(Cha,H.,Choi,KS.Combined biomass valorization and hydrogen production in a photoelectrochemical cell.Nat.Chem.2015,7,328
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333.)使用光电催化方法成功将生物质衍生化合物5
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羟甲基糠醛选择性转化为高附加值的呋喃二甲酸化合物。考虑到PET塑料的高分子结构中含有丰富的酯基基团，可以通过简单的水解处理便释放出具有反应活性的小分子有机化合物。因此，光电催化过程在PET废塑料的资源化转化方面也表现出广阔的应用前景。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于PET废塑料制备甲酸和氢气的光电催化方法。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]<第一方面>
[0008]本专利技术涉及一种基于PET废塑料制备甲酸和氢气的光电催化方法，以Fe2O3/Ni(OH)
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负载型光电电极作为阳极，以铂电极为阴极，组装成电解反应体系进行电解，在太阳光和外加电压的共同作用下在阳极实现PET碱性水解液中的乙二醇选择性氧化为甲酸，在阴极实现水还原制氢；所述电解反应体系中阴极电解液、阳极电解液之间设有离子交换膜。
[0009]作为一个实施方案，所述PET碱性水解液为PET废塑料进行碱性水解预处理后所得到的碱性水解液，主要成分为对苯二甲酸和乙二醇单体，PET、碱、水的物质量比为0.1～0.3:1:50～60。碱性水解预处理采用的碱包括但不仅限于KOH等强碱物质。
[0010]作为一个实施方案，所述阴极电解液为碱性电解质溶液。所述阴极电解液包括但不限于KOH等任何碱性电解质溶液。在一些实施例中，阴极电解液为1M KOH溶液。
[0011]作为一个实施方案，所述离子交换膜包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、两性离子交换膜。
[0012]作为一个实施方案，所述Fe2O3/Ni(OH)
x
负载型光电电极是在纳米棒状的Fe2O3基底表面覆盖Ni(OH)
x
纳米球。
[0013]作为一个实施方案，所述Fe2O3/Ni(OH)
x
负载型光电电极的制备包括如下步骤：
[0014]S1、以氯化铁和硝酸钠为原料，以浓盐酸为酸化溶液，在导电玻璃基底上，利用水热合成和高温退火方法制备沉积纳米棒状结构的Fe2O3光电电极基底；
[0015]S2、以硝酸镍、氟化铵和尿素为原料，利用水热合成方法在Fe2O3光电电极基底上修饰镍氢氧化物Ni(OH)
x
(x≤2)。
[0016]作为一个实施方案，步骤S1中，所述导电玻璃包括但不仅限于氟掺杂氧化锡(FTO)或铟掺杂氧化锡(ITO)导电玻璃基底。
[0017]作为一个实施方案，步骤S1中，氯化铁、硝酸钠和浓盐酸的物质量之比为0.15:1:0.05～0.06。更优选的，三者的摩尔比为0.15:1:0.056。
[0018]作为一个实施方案，步骤S1中，水热反应的温度为100～105℃，时间为12～14h。更优选的，反应温度为100℃，时间为12h。
[0019]作为一个实施方案，步骤S1中，煅烧(高温退火)过程在空气氛围下进行，反应温度为500～600℃，时间为1.5～2.5h。更优选的，反应温度为550℃，时间为2h。
[0020]作为一个实施方案，步骤S1中，高温退火过程的升温速率为1
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2℃/min；
[0021]作为一个实施方案，步骤S2中，硝酸镍、氟化铵和尿素的物质的量之比为0.95～1.05:2:4。更优选的，三者的摩尔比为1:2:4。去离子水中依次加入硝酸镍、氟化铵和尿素固体，搅拌至充分溶解后得到前驱液溶液。优选前驱体浓度为10mmol/LNi(NO3)2·
6H2O。
[0022]作为一个实施方案，步骤S2中，水热反应的温度为80～85℃，时间为1.5～2.5h。更优选的，反应温度为80℃，时间为2h。
[0023]在一些实施例中，Fe2O3/Ni(OH)
x
负载型光电电极的制备包括如下步骤：
[0024]Fe2O3光电阳极基底的制备：在常温的去离子水中依次加入氯化铁和硝酸钠固体，搅拌至充分溶解后得到暗黄色澄清溶液，随后在搅拌下加入数滴浓盐酸酸化溶液，得到的亮黄色澄清溶液即为Fe2O3光电阳极的前驱体溶液。将洁净的氟掺杂氧化锡导电玻璃基底和适量上述前驱体溶液共同加入聚四氟乙烯内衬中，并将内衬放置于不锈钢反应釜中进行密封，水热反应使导电玻璃基底上沉积上橙红色前驱体薄膜，取出后清洗并干燥后进行煅烧
处理，冷却至室温后取出可得到暗红色的Fe2O3光电阳极基底；
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于PET废塑料制备甲酸和氢气的光电催化方法，其特征在于，以Fe2O3/Ni(OH)
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负载型光电电极作为阳极，以铂电极为阴极，组装成电解反应体系进行电解，在太阳光和外加电压的共同作用下在阳极实现PET碱性水解液中的乙二醇选择性氧化为甲酸，在阴极实现水还原制氢；所述电解反应体系中阴极电解液、阳极电解液之间设有离子交换膜。2.根据权利要求1所述的基于PET废塑料制备甲酸和氢气的光电催化方法，其特征在于，所述PET碱性水解液为PET废塑料进行碱性水解预处理后所得到的碱性水解液，水解液中主要成分为对苯二甲酸和乙二醇单体，PET、碱、水的物质量比为0.1～0.3:1:50～60；所述阴极电解液为碱性电解质溶液。3.根据权利要求1所述的基于PET废塑料制备甲酸和氢气的光电催化方法，其特征在于，所述Fe2O3/Ni(OH)
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负载型光电电极是在纳米棒状的Fe2O3基底表面覆盖Ni(OH)
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纳米球。4.根据权利要求1所述的基于PET废塑料制备甲酸和氢气的光电催化方法，其特征在于，所述Fe2O3/Ni(OH)
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负载型光电电极的制备包括如下步骤：S1、以氯化铁和硝酸钠为原料，以浓盐酸为酸化溶液，以导电玻璃为基底，利用水热合成和高温退火方法制备沉积纳米棒状结构的Fe2O3光电电极基底；S2、以硝酸镍、氟化铵和尿素为原料，利用水热合成方法在Fe2O3光电电极基底上修饰Ni(OH)
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵一新，李鑫，汪建营，张婷，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：