一种木质素解聚制芳香化合物耦合发电的方法技术

本发明专利技术公开了一种木质素解聚制芳香化合物耦合发电的方法。所述方法包括：配制阳极电解液加入至阳极储液槽中于低温条件下进行降解反应，所述阳极电解液包括三元低共熔溶剂和木质素；配制阴极电解液加入至阴极储液槽，所述阴极电解液包括五价钒盐和酸；利用泵将阳极电解液和阴极电解液分别输送至电池的阳极板和阴极板流场中进行电化学反应。本发明专利技术在温和条件即可将木质素降解并转化为清洁电能，极大地降低了能耗和成本。由于低共熔溶剂对木质素及金属盐氧化剂具有优良溶解性且溶液环境近中性，因此无需额外添加酸或碱即可得到稳定电解液，避免了强酸或强碱环境引起的木质素缩聚问题，从而有利于木质素的解聚及木质素燃料电池阳极电解液的稳定。池阳极电解液的稳定。池阳极电解液的稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种木质素解聚制芳香化合物耦合发电的方法


[0001]本专利技术属于生物质废弃物资源化高效利用领域，具体涉及一种木质素解聚制芳香化合物耦合发电的方法。

技术介绍

[0002]木质素可以作为燃料电池的燃料发电。例如，赵等人利用多金属氧酸盐(POMs)作为氧化剂将木质素直接转化为电能，最大功率密度仅为5mW cm
‑2(Zhao X,Zhu J Y.Efficient conversion of lignin to electricity using a novel direct biomass fuel cell mediated by polyoxometalates at low temperatures[J].ChemSusChem,2016,9(2):197
‑
207)。原因是在阳极电解液中，由于木质素中C
‑
C键非常稳定，温和条件下阳极氧化剂和电子载体通常不能将木质素进行有效降解，使得输出功率密度较低。
[0003]现有燃料电池通常在酸性或碱性水系条件下工作，但木质素在该条件下溶解度较差，反应时缩聚现象严重，会形成更难溶解且化学稳定性更强的固体，进一步限制了电子转移速率和能量转换效率。因此，开发更加有效的木质素降解体系，实现木质素绿色高值化利用具有巨大的挑战性。
[0004]低共熔溶剂因其具有制备简单、成本低廉、可设计性、可生物降解等优点，近年来被广泛用于木质纤维素生物质精炼领域。但目前主要利用的是其优异的溶解性能。利用低共熔溶剂的中性环境和强效溶解特性，开发一种抑制木质素缩聚的降解体系，进而实现制备芳香化合物并耦合发电尚未见报道。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术的缺点和不足之处，本专利技术提供了一种木质素解聚制芳香化合物耦合发电的方法。
[0006]本专利技术目的通过以下技术方案实现：
[0007]一种木质素解聚制芳香化合物耦合发电的方法，包括如下步骤：
[0008](1)配制阳极电解液加入至阳极储液槽中于低温条件下进行降解反应，所述阳极电解液包括三元低共熔溶剂和木质素；所述三元低共熔溶剂包括氢键受体、氢键供体和路易斯酸；
[0009](2)配制阴极电解液加入至阴极储液槽，所述阴极电解液包括五价钒盐和酸；
[0010](3)利用泵将阳极电解液和阴极电解液分别输送至电池的阳极板和阴极板流场中进行电化学反应。
[0011]作为优选地，步骤(1)中所述三元低共熔溶剂中氯化胆碱作为氢键受体，乙二醇为氢键供体；氢键受体与氢键供体的摩尔比为1：0.5～10，更优选为1：1～5，最优选为1：2。
[0012]作为优选地，步骤(1)中所述三元低共熔溶剂中的路易斯酸选自氯化铜、氯化铁、硫酸铜中的至少一种。
[0013]作为优选地，步骤(1)中所述三元低共熔溶剂选自氯化胆碱
‑
乙二醇
‑
氯化铁、氯化
胆碱
‑
乙二醇
‑
氯化铜、氯化胆碱
‑
乙二醇
‑
硫酸铜中的至少一种。
[0014]作为优选地，步骤(1)所述阳极电解液中路易斯酸的浓度为0.01～6mol/L，更优选为0.5～3mol/L，最优选为1～2mol/L；
[0015]作为优选地，步骤(1)中所述木质素选自碱木质素、有机溶剂木质素、酶解木质素、预水解木质素和木质素磺酸钠中的至少一种。
[0016]作为优选地，步骤(1)所述阳极电解液中木质素含量为0.1～250g/L，更优选为0.1～150g/L，最优选为0.1～50g/L。
[0017]作为优选地，步骤(1)所述低温条件为10～150℃，更优选为25～100℃，最优选为70～90℃。
[0018]作为优选地，步骤(2)中所述五价钒盐选自五氧化二钒、硫酸氧钒和硝酸钒酰中的至少一种。
[0019]作为优选地，步骤(2)中所述阴极电解液中五价钒盐的浓度为0.05～5mol/L。
[0020]作为优选地，步骤(2)中所述的酸选自盐酸、硫酸、醋酸和硝酸中的至少一种。
[0021]作为优选地，步骤(2)中所述阴极电解液中酸的浓度为0.05～8.0mol/L。
[0022]下面将更加详细地描述本专利技术专利：
[0023](1)配制阳极电解液加入至阳极储液槽中于低温条件下进行降解反应，所述阳极电解液包括含路易斯酸的三元低共熔溶剂、木质素；
[0024]该步骤是为了降解木质素并存储电子于还原态的路易斯酸中，实现逐步降解木质素制备芳香化合物的同时，储存和转运木质素中价键断裂释放的电子，为利用燃料电池系统对外部负载供电奠定基础。
[0025]该步骤中加入二元低共熔溶剂，一方面是为了与路易斯酸配位形成三元低共熔溶剂，另一方面是为了增大木质素的溶解度。该步骤需选择合适的低共熔溶剂，因为不同类型的低共熔溶剂粘度、导电性不一，会直接影响到燃料电池系统的电子传递效率，同时也会影响对木质素溶解的能力和降解的效果。
[0026]该步骤中加入路易斯酸，是因为根据酸性多位点配位理论，路易斯酸可以与二元低共熔溶剂形成超分子络合物，即三元低共熔溶剂，能更加有效断裂木质素的C
‑
C键和C
‑
O键，同时可作为电子载体，储存和转运电子。该步骤需选择合适的路易斯酸，因为不同类型的路易斯酸断键能力不一，且作为电子载体要求具有良好的氧化还原可逆性，尤其是在低共熔溶剂中的传递电子能力。
[0027]该步骤在加热条件下进行降解反应需要控制温度和时间，温度过低、时间过短，会使得木质素降解速率慢、降解度低；温度过高、时间过长对木质素的降解没有显著的提高，甚至会导致木质素的缩聚，影响电池性能和产物收率。
[0028](2)配制阴极电解液加入至阴极储液槽，阴极电解液包括五价钒盐和酸；
[0029]该步骤是为了制备阴极电解液，为后续与步骤(1)共同构建燃料电池系统奠定基础。
[0030]该步骤中选五价钒盐作为阴极电子载体，是因为五价钒盐标准电极电位约为1.181V vs.NHE，高于阳极电子载体路易斯酸的标准电极电位，因此用在阴极会增大电池的开路电压，赋予电池优异的电性能。
[0031]该步骤中加入的酸是为了增大五价钒盐的溶解度，在酸性条件下更有利于发挥五
价钒盐的活性。该步骤需控制所加酸的量，若过少，对增大五价钒盐的溶解度和稳定性不足；若过多，增大了木质素的处理成本，经济效益较低。
[0032]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点及有益效果：
[0033]1、本专利技术在温和条件(常压、低温)即可将木质素降解并转化为清洁电能，极大地降低了能耗和成本。同时，由于低共熔溶剂对木质素及金属盐氧化剂具有优良溶解性且溶液环境近中性，因此无需额外添加酸或碱即可得到稳定电解液，避免了强酸或强碱环境引起的木质素缩聚问题，从而有利于木质素的解聚及木质素燃料电池阳极电解液的稳定。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种木质素解聚制芳香化合物耦合发电的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)配制阳极电解液加入至阳极储液槽中于低温条件下进行降解反应，所述阳极电解液包括三元低共熔溶剂和木质素；所述三元低共熔溶剂包括氢键受体、氢键供体和路易斯酸；(2)配制阴极电解液加入至阴极储液槽，所述阴极电解液包括五价钒盐和酸；(3)利用泵将阳极电解液和阴极电解液分别输送至电池的阳极板和阴极板流场中进行电化学反应。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述三元低共熔溶剂中氯化胆碱作为氢键受体，乙二醇为氢键供体；氢键受体与氢键供体的摩尔比为1：0.5～10，更优选为1：1～5，最优选为1：2。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述三元低共熔溶剂中的路易斯酸选自氯化铜、氯化铁、硫酸铜中的至少一种。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述阳极电解液中路易斯酸的浓度为0.01～6mol/L；步骤(1)所述阳极电解液中木质素含量为0.1～250g/L。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：俎喜红，杨浩，邱学青，谢子鑫，张文礼，秦延林，林绪亮，陈理恒，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：