一种氯碱工业阳极非金属分子催化剂及其制备方法技术

本申请公开了一种氯碱工业阳极非金属分子催化剂及其制备方法。该催化剂含有具有式I、式II或式III结构的化合物，该催化剂不含任何金属，制备工艺简单，成本低廉。该催化剂采用可循环使用的二氧化碳作为活化剂，在阳极析氯反应中显示出比工业尺寸稳定的阳极更高的催化活性以及可比的选择性和耐久性。。。

【技术实现步骤摘要】
一种氯碱工业阳极非金属分子催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于氯碱化工
，尤其涉及一种氯碱工业阳极非金属分子催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]氯碱工业在化学工业中起着至关重要的作用，每年产出了数亿吨的氯气、氢气、氢氧化钠、氯酸钠和次氯酸钠，它们是工业，水处理和许多其他应用的基本化学物质。氯碱工业的关键反应是电解饱和食盐水析出氯气与氢气。氯碱工业的电解步骤的总耗电量约为150TW
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h，约占全球用电量的3％。其中大部分电浪费在过电势上。降低阳极的过电势和贵金属用量对于氯碱工业至关重要，这取决于有效的阳极催化剂。目前在工业上主要使用的是尺寸稳定阳极(DSA)，由RuO2/IrO2/TiO2的金属固溶催化剂和Ti板载体组成。DSA电极具有很高催化活性和较长寿命，然而大量使用了贵金属。
[0003]最近，研究者开发了一些新型催化剂,但仍然主要由贵金属组成。进一步发展氯碱工业需要开发新型催化剂，尤其是非贵金属催化剂。

技术实现思路

[0004]本申请公开一种非金属分子催化剂，其特征在于，该催化剂含有具有式I、式II或式III结构的化合物，
[0005][0006]其中，R1选自H、C1‑6烷烃；R2选自H、卤代基、C1‑6烷烃、C1‑6烷氧基或C1‑6卤代烷烃；R3选自H、卤代基、C1‑6烷烃、C1‑6烷氧基或C1‑6卤代烷烃；R4、R5独立选自选自H、卤代基、C1‑6烷烃、C1‑6烷氧基或C1‑6卤代烷烃。
[0007]进一步，R1选自H、C1‑6烷烃；R2选自H、卤代基或C1‑6卤代烷烃；R3选自H、卤代基或C1‑6卤代烷烃；R4、R5独立选自选自H、卤代基、C1‑6烷烃。
[0008]更进一步，R1选自H、甲基、乙基或特丁基(
t
Bu)；R2选自H、Cl、I或CF3；R3选自H、Cl、I
或CF3；R4、R5独立选自选自H、卤代基、C1‑6烷烃。
[0009]再进一步，本申请公开一种非金属分子催化剂，其特征在于，该催化剂含有具有式I结构的化合物，取代基定义与前述相同。
[0010]优选，所述非金属分子为具有如下结构的化合物，
[0011][0012]所述催化剂为电解槽用的阳极催化剂，特别是用于氯碱工业用电解槽的阳极催化剂。氯碱工业电解槽(或称氯碱电解槽)用于电解饱和食盐水析出氯气、氢气和氢氧化钠。
[0013]本申请公开了一种非金属分子催化剂，使用有机小分子作为催化剂活性成分，该类型有机小分子材料作为氯碱电解槽阳极催化剂为首次报道。测试结果显示该类型的非金属分子催化剂在析氯反应(CER)中表现出89mV的过电势(10kA
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‑2)和99.6％的选择性，极具商业价值。
[0014]本申请也公开了的所述催化剂用于氯碱化工、氯酸盐生产、氯气生产、氢气生产、海水淡化的用途。
[0015]本申请还公开了一种电解氯化钠溶液制备氯气、氢气和氢氧化钠的方法，其特征在于，该方法采用前述的非金属分子催化剂，包括式I、式II或式III的化合物，经过分离得到氯气、氢气和氢氧化钠。
[0016]进一步，本申请公开的一种电解氯化钠溶液制备氯气、氢气和氢氧化钠的方法，其中，该方法使用CO2作为助剂；即，在电解氯化钠溶液的过程中，使用二氧化碳气体作为助剂，电解产生氯气、氢气和氢氧化钠，再分离二氧化碳，得到氯气、氢气和氢氧化钠。
[0017]分离后的二氧化碳，回收，或循环进入电解系统。
[0018]本专利技术的有益效果在于：
[0019]1.提供一种全新的，用于氯碱工业的非金属分子特别是有机小分子催化剂，实现了非金属高效催化氯碱反应，这也是有机小分子首次用于CER反应，拓展了传统CER催化剂的设计体系。
[0020]2.本申请采用一类生产工艺简单、成本低的非金属有机分子催化剂，可实现氯碱工业催化剂不含任何贵金属，能大大降低贵金属催化剂的成本。该方法制备的非金属分子电极在析氯反应中的10kA
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‑2下过电位仅为89mV,并且选择性高达99.6％，显示出巨大的商业价值和潜力。
[0021]3、本申请展示了有机小分子催化剂在电化学领域应用的可能性，为氯碱工业提供了一种高效的多相有机催化剂，在氯电池、有机合成等领域也显示出巨大的潜力。该催化剂
与工业尺寸稳定的阳极相比，吨碱电耗降低了14.6％，对现有氯碱工业中高耗能阳极的节能升级具有重要意义。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本专利技术的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本专利技术进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
[0023]图1为化合物1a的核磁共振氢谱(图a)和碳谱(图b)。
[0024]图2为化合物1a的电解测试结果图，其中，图a为化合物1a和DSA在5M NaCl(pH＝2)以及90℃下的极化曲线；图b为化合物1a在5M NaCl(pH＝2)以及90℃下的的选择性以及法拉第效率。
[0025]图3化合物Ia在通入CO2(速率为10sccm)，5M NaCl(pH＝2)以及90℃下,分别在恒电流(800mA)与恒电压条件(1.5
‑
1.7V)下的稳定性测试。
[0026]图4为1a
‑
1h对照样品性能比较。
[0027]图5为催化流程示意图。
具体实施方式
[0028]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本专利技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0029]制备例1多相催化剂的制备
[0030]a)在30℃，氮气氛下，在100毫升四氢呋喃中，加入乙烯基化三苯基膦配体10克、再加入偶氮二异丁腈100毫克，混合后，将混合物搅拌20分钟；
[0031]b)将步骤a)制得的混合溶液转移至合成高压釜中，在100℃，惰性气体气氛下，采用溶剂热聚合法，静置48小时进行聚合反应，得到三苯基膦有机聚合物；
[0032]c)将步骤b)得到的聚合物，在室温条件下抽滤，并在真空条件下除去四氢呋喃溶剂，即得到三苯基膦聚合物，即所述多相催化剂的载体；
[0033]d)在30摄氏度，氩气氛围下，将10毫克醋酸钯溶于50毫升甲醇中，加入0.5克步骤c)得到的有机聚合物载体，搅拌2小时后，过滤，并真空除去有机溶剂，得到多相催化剂。
[0034][0035]实施例1 1a化合物
[0036]制备1a化合物，在35毫升容积的Schlenk反应管中，加入2
‑
碘
‑5‑
三氟甲基苯胺(1毫摩尔，287.02毫克)、异氰酸叔丁酯(1.2毫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非金属分子催化剂，其特征在于，该催化剂含有具有式I、式II或式III结构的化合物，其中，R1选自H、C1‑6烷烃；R2选自H、卤代基、C1‑6烷烃、C1‑6烷氧基或C1‑6卤代烷烃；R3选自H、卤代基、C1‑6烷烃、C1‑6烷氧基或C1‑6卤代烷烃；R4、R5独立选自选自H、卤代基、C1‑6烷烃、C1‑6烷氧基或C1‑6卤代烷烃。2.如权利要求1所述的催化剂，其中，R1选自H、C1‑6烷烃；R2选自H、卤代基或C1‑6卤代烷烃；R3选自H、卤代基或C1‑6卤代烷烃；R4、R5独立选自选自H、卤代基、C1‑6烷烃。3.如权利要求1所述的催化剂，其中，R1选自H、甲基、乙基或特丁基；R2选自H、Cl、I或CF3；R3选自H、Cl、I或CF3；R4、R5独立选自选自H、卤代基、C1‑6烷烃。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的催...

【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，
申请(专利权)人：北京单原子催化科技有限公司，
类型：发明
国别省市：