一种负载型催化剂的制备方法及其应用技术

本申请公开了一种负载型催化剂的制备方法及其应用，所述制备方法包括以下步骤：将基底在含有金属盐的溶液中进行自发离子交换，对离子交换所得的产物进行电化学氧化处理，得到所述负载型催化剂。所述制备方法室温下自发离子交换以及随后的电化学氧化处理而得到负载型催化剂，电化学氧化处理可以生成高价态的金属离子，可以增强电催化生产FDCA过程的反应动力学。力学。

【技术实现步骤摘要】
一种负载型催化剂的制备方法及其应用


[0001]本申请涉及一种负载型催化剂的制备方法及其应用，属于化学工业


技术介绍

[0002]2,5
‑
呋喃二甲酸(2,5
‑
furandicarboxylic acid,FDCA)作为重要的“绿色”平台化学品，其由各种生物基底物(5
‑
羟甲基糠醛(5
‑
hydroxymethylfrufural，HMF)、2,5
‑
二羟甲基呋喃(2,5
‑
bis(hydroxymethyl)furan，BHMF)、5
‑
羟甲基
‑2‑
呋喃甲酸(5
‑
Hydroxymethyl
‑2‑
furancarboxylic acid，HMFCA)、5
‑
甲酰基
‑2‑
呋喃甲酸(5
‑
Formyl
‑2‑
furancarboxylic Acid，FFCA)、2,5
‑
二甲酰基呋喃(2,5
‑
Furandicarbaldehyde，DFF))高效制备在化学工业中占据着越来越重要的地位。电催化转化因其可实现温和条件下将生物基底物反应生成FDCA，同时兼具安全性高、能量利用率高、底物耐受性高等优点而逐渐成为研究热点。
[0003]在电催化生产FDCA的过程中，电催化剂是整个电解装置中最核心的部件之一，它可以降低因极化而产生的过电势，从而提高能量转换效率。因此开发高活性、高稳定性的电催化剂尤为重要。目前在电催化制备FDCA中使用的催化剂主要是通过低温煅烧法、水热/溶剂热法、电沉积法等方法所制备的过渡金属催化剂，但存在的普遍问题是这些催化剂的循环稳定性较差降低了其使用寿命，例如，孙宇杰课题组设计了生长在泡沫铜上的Co
‑
P/CF、生长在泡沫镍上的Ni2P纳米颗粒阵列，用于电催化5
‑
羟甲基糠醛氧化生成2,5
‑
呋喃二甲酸，催化剂只经过三次循环形貌就遭到完全破坏(ACS Energy Lett.2016,1,386
‑
390；Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,9913
–
9917)；电解过程电流密度较低延长了电解时间从而增加了能耗，例如严凯课题组使用三金属层状双氢氧化物NiCoFe电催化5mM 5
‑
羟甲基糠醛，室温下发生析氧反应之前的电流密度小于10mA cm
‑2，反应4h后，转化率也不到20％(ACS Catal.2020,10,5179
‑
5189)；催化剂制备方法复杂从而增加了制备成本，并且难以放大规模生产，例如Kang课题组使用水热和低温煅烧两步反应合成了丝状NiCo2O4用于电催化5
‑
羟甲基糠醛制备2,5
‑
呋喃二甲酸，制备复杂且需要高温从而增加了制备成本，加大了放大生产的难度(Applied Catalysis B:Environmental 242(2019)85
–
91)。

技术实现思路

[0004]针对上述存在的技术问题，我们采用了一种简单可行的催化剂制备方法室温下自发离子交换以及随后的电化学氧化处理而制备出一种三维自支撑站立片状催化剂。自发离子交换因常温常压下就能完成反应，操作简单、容易控制且对反应装置要求极低因此大大降低了生产成本，同时很容易放大生产规模；电化学氧化处理在使电极稳定的同时能生成高价态的金属离子从而可以增强电催化生产FDCA过程的反应动力学；制备出的催化剂加入低浓度的底物(10mM)就能获得超过100mA cm
‑2的电流密度从而大大降低了整个电解反应所需要的时间，只需要0.6h就能获得100％的转化率和超过95％的收率；该催化剂经十次循环电解后性能和形貌几乎完全保持说明其具有很强的稳定性可以大大延长其使用寿命。
[0005]根据本申请的一个方面，提供一种负载型催化剂的制备方法，所述制备方法包括
以下步骤：
[0006]将基底在含有金属盐的溶液中进行自发离子交换，对离子交换所得的产物进行电化学氧化处理，得到所述负载型催化剂。
[0007]可选地，所述电化学氧化处理包括：
[0008]将离子交换所得的产物作为工作电极，在含有碱性电解液的电解池中进行电化学氧化处理。
[0009]可选地，所述碱性电解液中的碱包括KOH、NaOH中的至少一种。
[0010]可选地，所述碱性电解液中的碱浓度为0.01～5M。
[0011]可选地，所述碱性电解液中的碱浓度上限选自0.05M、0.1M、0.5M、1.5M、1M、2M、3M、4M或5M；下限选自0.01M、0.05M、0.1M、0.5M、1.5M、1M、2M、3M或4M。
[0012]可选地，所述碱性电解液中的溶剂包括水。
[0013]可选地，所述电化学处理的时间为1～12h。
[0014]其中电化学氧化处理时间低于1h,电极难以达到一个稳定的状态，电化学氧化处理时间高于12h，电极早已达到稳态并且生成高价态金属离子，只会增加能耗。
[0015]可选地，所述电化学处理的时间为2～6h。
[0016]可选地，所述电化学处理的时间上限选自2h、3h、4h、5h、7h、9h或12h；下限选自1h、2h、3h、4h、5h、7h或9h。
[0017]可选地，所述含有碱性电解液的电解池还包括对电极；
[0018]所述对电极选自石墨棒、铂片、铂丝、铂网、镍片、镍丝、镍网、镍合金中的至少一种，
[0019]可选地，所述含有碱性电解液的电解池还包括参比电极；
[0020]所述参比电极选自汞/氧化汞电极、银/氯化银电极、饱和甘汞电极中的至少一种。
[0021]可选地，所述电化学氧化处理选自恒电流氧化、恒电压氧化中的任一种；
[0022]所述恒电流氧化的电流密度为1～100mA cm
‑2。
[0023]可选地，所述恒电流氧化的电流密度上限选自3、5、8、10、20、30、40、50、60、70、80、90或100mA cm
‑2；下限选自1、3、5、8、10、20、30、40、50、60、70、80或90mA cm
‑2。
[0024]可选地，所述基底为金属基底。
[0025]可选地，所述基底选自泡沫镍、泡沫钴、泡沫铁、泡沫铜、钴片、镍片、铁片、铜片中的任一种。
[0026]可选地，基底为泡沫钴或钴片。
[0027]可选地，所述金属盐选自活性金属可溶性盐中的任一种；
[0028]所述活性金属中的金属元素选自第4周期的过渡金属元素、第II族金属元素中的任一种
[0029]可选地，所述活性金属中的金属元素选自镍元素、锰元素、镁元素、铁元素、铬元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负载型催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：将基底在含有金属盐的溶液中进行自发离子交换，对离子交换所得的产物进行电化学氧化处理，得到所述负载型催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电化学氧化处理包括：将离子交换所得的产物作为工作电极，在含有碱性电解液的电解池中进行电化学氧化处理；优选地，所述碱性电解液中的碱包括KOH、NaOH中的至少一种；优选地，所述碱性电解液中的碱浓度为0.01～5M。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电化学氧化处理的时间为1～12h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电化学氧化处理选自恒电流氧化、恒电压氧化中的任一种；所述恒电流氧化的电流密度为1～100mA cm
‑2。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基底选自泡沫镍、泡沫钴、泡沫铁、泡沫铜、钴片、镍片、铁片、铜片中的任一种。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属盐选自活性金属可溶性盐中的任一种；所述活性金属中的金属元素选自第4周期的过渡金属元素、第II族金属元素中的任一种；优选地，所述活性金属中的金属元素选自镍元素、锰元素、镁元素、铁元素、铬元素、钴元素中的任一种。7.一种负载型催化剂，其特征在于，所述负载型催化剂根据权利要求1～6任一项所述的制备方法制备得到。8.根据权利要求7所述的负载型催化剂，其特征在于，所述负载型催化剂包括基底和活性组分；所述活性组分负载在所述基底上...

【专利技术属性】
技术研发人员：谌春林，刘静，朱斌，张建，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：