大电流密度电催化5-羟甲基糠醛为2,5-呋喃二甲酸的催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了大电流密度电催化5

【技术实现步骤摘要】
大电流密度电催化5
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羟甲基糠醛为2,5
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呋喃二甲酸的催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术涉及高性能电催化剂的
，特别涉及多种大电流电催化催化剂制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着全球经济社会的快速发展，世界各国对于能源与原材料需求日益增长，化石燃料大量消耗释放出二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等污染气体，造成了全球变暖和海平面上升等一系列环境问题。面对温室效应带来的环境危害和日益紧迫的能源危机，绿色可再生能源的开发与利用已成为解决上述问题的关键核心途径。
[0003]生物质资源具有储量丰富、分布范围广的突出特点，是唯一可再生的碳资源。生物质可经由物理、化学或生物方法制备高附加值化学品、材料，或转化为液体或气体燃料等新型生物质基可再生能源，对于减少环境污染及温室气体排排放，建立绿色可持续的化学工业和循环经济体系至关重要。生物基平台化合物5
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羟甲基糠醛(HMF)可通过氧化反应制备高附加值化学品2,5
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呋喃二甲酸(FDCA)。FDCA是稳定性良好的化工中间体,被广泛用作生物基聚酯和各种其他聚合物合成的前体。也是一种重要的、可再生的基本成分，是很多石油化工产品(如对苯二甲酸和己二酸)的代替品。按照供能方式的差异,HMF定向化学转化为FDCA分为热化学催化转化和电化学催化转化。其中，HMF的热催化转化以活性金属或金属合金为催化剂，操作条件为130～250℃加热温度、3～40bar高压气体和强碱性或强酸性的溶液。该转化中的加热过程消耗了大量能源，且需要额外的高压O2或H2作为供氧剂或供氢剂，生产过程成本高且不环保。HMF电催化转化FDCA在非临氧(氢)条件下，以H2O或H2O电解原位产生的O2或H2作为供氧剂或供氢剂，在常温常压条件下进行，高活性催化剂主要集中在Cu、Co、Ni、Fe等非贵金属，与热化学方法相比，电化学方法具有绿色环保、成本低等突出优势。
[0004]目前已有很多研究者发现将过渡金属用于电催化氧化HMF可产生优异的电化学性能，但在电催化过程中存在催化剂制备难、稳定性差、电流密度低、产物产率低等制约瓶颈，难以实现大规模工业化生产。中国专利CN 111472020 A公开了一种水滑石基层状催化剂电催化氧化5
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羟甲基糠醛制备2,5
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呋喃二甲酸的方法，该方法在10mA
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‑2的电流密度以及长时间(≥1h)的催化氧化过程后,可获得95.4％的转化率，2,5
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呋喃二甲酸的选择性达到84.8％，低电流密度以及长时间的催化过程，限制了其工业化应用进程。中国专利CN 112725774 A公开了大电流下稳定的核
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壳结构全解水催化剂及其制备方法，首先通过水热法制备CoMo纳米片,后利用CoMo纳米片再次水热制备Co9S8/Ni3S2纳米片，最后再通过电沉积法制备核
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壳结构Co9S8/Ni3S2@NiFe
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LDH，虽然获得了大电流(电流密度≥50mA
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‑2)下稳定的核壳结构，但制备过程繁杂，距离工业化要求的大电流密度(≥200mA
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‑2)，仍有较大的提升空间。
[0005]综上，目前还没有既通过简单反应过程的方法，又能产生可应用于工业化电催化的电流密度高效的催化剂。因此，本专利技术制备出的可应用于高电流密度的催化剂(>400mA
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‑2)，具有广泛的应用前景和较大的市场潜力。

技术实现思路

[0006]针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本专利技术的目的在于提供一种简单的方法，能应用于工业化电催化氧化5
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羟甲基糠醛制备FDCA生产过程的大电流密度(>400mA
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‑2)的催化剂。该反应过程无需高温和高压气体参与，方法简便易行，完成对5
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羟甲基糠醛工业化速度的催化氧化，高效制备FDCA。
[0007]本专利技术目的通过以下技术方案实现：
[0008]大电流密度电催化5
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羟甲基糠醛为2,5
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呋喃二甲酸的催化剂及其制备方法，包括如下步骤：
[0009](1)载体预处理：将载体剪裁成一定大小的片,在盐酸、丙酮、乙醇和超纯水中分别超声处理，去除表面的有机物和其他杂质；
[0010](2)配置不同质量分数的双氧水溶液A；
[0011](3)将一定量的金属盐加入到步骤(2)所配置的不同体积的双氧水溶液A中获得溶液B；
[0012](4)将步骤(1)所获得的预处理后的载体置于步骤(3)获得的金属盐溶液B中反应一定时间，载体不同，加入的金属盐的种类有所不同，反应结束后取出得到负载于载体上的金属氧化物、氢氧化物样品；
[0013](5)将步骤(4)得到的反应后的载体用去离子水冲洗数次后，置于烘箱中干燥一定时间，即可得到活性材料。
[0014](6)采用三电极系统，以碱性溶液为电解液，放入制备的催化剂，以及参比电极和对电极，使用线性扫描伏安法，以一定扫速的对样品的电催化性能进行测试。
[0015]2.优选的，步骤(1)中所述的载体厚度为0.5～3mm，裁剪的大小为(1～2)cm
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(1～2)cm，盐酸浓度为1～3mol/L，盐酸、丙酮、乙醇和超纯水中分别超声处理5～20min；
[0016]3.优选的，步骤(2)中所述的双氧水溶液质量分数为1％～35％；
[0017]4.优选的，步骤(3)中金属盐的含量为1～15mmol，金属盐选自铁盐、钴盐、铜盐、锰盐、镍盐中的一种；铁盐优选氯化亚铁、硫酸亚铁、硝酸亚铁、磷酸亚铁、碳酸亚铁、氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、磷酸铁、碳酸铁、硫酸亚铁铵中的一种或多种，钴盐优选硝酸钴、碳酸钴、硫酸钴、氯化钴、乙酸钴中的一种或多种；铜盐优选硝酸铜、乙酸铜、乙酰丙酮铜、碳酸铜、氯化铜、硫酸铜或醋酸亚铜中的一种或多种；锰盐优选乙酸锰、硝酸锰、氯化锰、硫酸锰中的一种或多种；镍盐优选氯化镍、硫酸镍、硝酸镍、氨基磺酸镍、羰基镍中的一种或多种；双氧水体积为5～50mL；
[0018]5.优选的，步骤(4)中所述的载体不同，加入的金属盐的种类有所不同：当载体为泡沫镍时，加入的金属盐为钴盐、铁盐、铜盐和锰盐；当载体为泡沫铁时，加入的金属盐为钴盐、镍盐；载体在金属盐溶液中反应时间为1～10min；
[0019]6.优选的，步骤(5)中所述的烘箱温度为50～100℃，时间为12～36h；
[0020]7.优选的，步骤(6)中所述的碱性电解液为1mol/L的KOH或者NaOH溶液，参比电极为Hg/HgO电极，对电极为铂丝，线性扫描伏安法的扫速为5mV
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‑1。
[0021]本专利技术具有如下技术优势：
[0022](本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.大电流密度电催化5
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羟甲基糠醛为2,5
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呋喃二甲酸的催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)载体预处理：将载体剪裁成片状,在盐酸、丙酮、乙醇和超纯水中分别超声处理，去除表面的有机物和其他杂质；(2)配置不同质量分数的双氧水溶液A；双氧水溶液质量分数为1％～35％；(3)将金属盐加入到步骤(2)所配置的不同体积的双氧水溶液A中获得溶液B；金属盐的含量为1～15mmol对应的双氧水体积为5～50mL；金属盐选自铁盐、钴盐、铜盐、锰盐、镍盐中的一种；(4)将步骤(1)所获得的预处理后的载体置于步骤(3)获得的金属盐溶液B中反应1～10min；反应结束后取出得到负载于载体上的金属氧化物、氢氧化物样品；(5)将步骤(4)得到的反应后的载体用去离子水冲洗数次后，置于烘箱中干燥，即可得到活性材料。2.根据权利要求1所述的大电流密度电催化5
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羟甲基糠醛为2,5
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呋喃二甲酸的催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的载体为泡沫镍、泡沫铁，载体厚度为0.5～3mm，剪裁的大小为(1～3)cm
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(1～3)cm,盐酸浓度为1～3mol/L,超声处理的时间为5～20min；3.根据权利要求1所述的大电流密度电催化5
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羟甲基糠醛为2,5
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呋喃二甲酸的催化剂的制备方法，其特征在于，铁盐选用氯化亚铁、硫酸亚铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：王长龙，侯志炎，宋岷洧，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：