固-水-油三相电催化反应系统及利用该系统的电催化有机反应方法技术方案

本申请涉及固

【技术实现步骤摘要】
固
‑
水
‑
油三相电催化反应系统及利用该系统的电催化有机反应方法


[0001]本专利技术涉及电催化领域，具体涉及固
‑
水
‑
油三相电催化反应系统及利用该系统的电催化有机反应方法
。

技术介绍

[0002]近年来，基于电催化的精细有机合成引起了人们的广泛关注
。
该方式指的是在温和条件下，利用水作为氧源或氢源，在实现有机物高效转化的同时，可以实现原子经济性，同时可实现室温高附加值化学品制备，在低碳能源发展背景下有很好的应用前景
。
[0003]但有机电催化领域，面临着诸多问题和挑战
。
有机物的极性可分为强极性
、
弱极性
、
非极性三类，分别对应易溶于水
、
难溶于水
、
不溶于水
。
其中难溶或不溶于水的有机物通常被称作“油”。
[0004]此类有机物的电催化合成反应涉及到一个关键问题，就是油相有机物与水相电解液的混合
(
溶解
)
问题
。
在传统的固
‑
液两相有机电催化反应体系中，由于极性的差异，油相有机物难以溶解于电解液中并和电极接触，使电化学反应难以发生
。
此外，电解过程中不导电的有机物与电解质混合后易导致接触内阻大幅上升，进而造成电能利用效率低的问题
。
为促进有机物溶解，不得不使用一些有毒的相转移试剂，如四氢呋喃，季铵盐等，虽能部分解决上述问题，但因此带来了新的问题，如有机物浓度偏低
、
产物分离困难
、
成本上升等；这些问题严重制约了该领域的发展
。
[0005]近年来，基于三相界面工程的催化研究再度引起人们的广泛关注
。
该策略主要涉及到气
‑
液
‑
固反应体系的讨论，即反应物为气体，催化剂为固体，电解液或水等作为反应物参与反应
。
其他类型的三相界面体系催化应用研究尚未被广泛报道
。

技术实现思路

[0006]基于现有技术，本申请意图实现一种固
‑
水
‑
油三相电催化反应系统，从而在实现电催化有机合成反应的同时，可以简化电解液组成，可以保证体系良好导电性，可以引入高浓度有机物
(
甚至高纯
)
，可以直接得到高浓度产物
(
甚至高纯
)
，产物可以与电解液空间分离
。
[0007]根据本专利技术的一个方面，提供一种固
‑
水
‑
油三相电催化反应系统，其中，所述系统包括油相有机物腔室和电化学装置，所述电化学装置的工作电极分隔所述油相有机物腔室和所述电化学装置，以形成所述油相有机物腔室和所述电化学装置共用的分隔壁，注入油相有机物腔室中的油相有机物能够通过工作电极扩散至附在其上且在邻近电化学装置侧的催化剂处进行有机反应，其中，所述工作电极能够阻挡电化学装置中的电解液进入油相有机物腔室
。
[0008]根据本专利技术的电催化反应系统的一实施方式，所述电化学装置包括电源
、
对电极
、
对电极侧腔室，离子交换膜
、
工作电极侧腔室
、
工作电极，其中，所述工作电极侧腔室和对电
极侧腔室用于容纳电解液，并且对电极侧腔室和工作电极侧腔室通过阳离子交换膜隔开，并且，所述工作电极为涂覆有催化剂的油相扩散层，所述工作电极与对电极分别与电源连接
。
[0009]在根据本专利技术的系统中，可以设置参比电极，例如可以采用银氯化银电极作为参比电极
。
[0010]在根据本专利技术的系统中，对电极可以选自铂电极或泡沫镍电极
。
[0011]根据本专利技术，所述工作电极为涂覆有催化剂的油相扩散层
。
[0012]在根据本专利技术的系统中，油相扩散层只要满足以下要求即可：
1)
能够允许油相
(
油相有机物腔室中的油相有机物
)
中的油相有机反应物扩散至催化剂处，即反应物传质；
2)
作为载体使电解液与催化剂接触，即离子传导；
3)
能够使催化剂联通外电路，即电子转移；
4)
阻挡电解液进入油相，防止漏液
。
[0013]例如，所述油相扩散层可以选自碳纸
、
碳布
、
石墨毡等
。
[0014]根据本专利技术的反应系统，所述油相有机物腔室
、
对电极侧腔室
、
工作电极侧腔室的侧壁上可分别设有一个或两个以上的开口，分别用于油相有机物
、
反应产物
、
电解液
、
氢气等的输入或排出
。
[0015]根据本专利技术，固相是指系统中采用的电极
、
隔膜
、
催化剂等固体相；水相是指电解液，油相是指包含油相有机反应物或由其组成的油相有机物
。
[0016]油相和水相通过油相扩散层
(ODL)
，以及催化剂层物理分隔开，同时在催化剂层处实现良好的三相接触，形成固
‑
水
‑
油界面指，反应物在催化剂层处实现高效转化
。
[0017]根据本专利技术的另一方面，提供一种固
‑
水
‑
油三相电催化有机反应的方法，所述方法包括：
[0018]将电解液注入通过负载有催化剂的工作电极与油相有机物腔室分隔的电解液腔室中，并测试
LSV
曲线；
[0019]将油相有机物注入油相有机物腔室中，通电开始电解，
[0020]其中，所述工作电极能够使油相有机反应物通过其扩散至附在其上的催化剂处进行有机反应，并能够阻挡电解液进入油相有机物腔室
。
[0021]根据本专利技术，可以使用以上所述的电催化反应系统进行所述有机反应
。
所述工作电极可为选自涂覆有催化剂的油相扩散层，例如为如上所述的工作电极
。
[0022]根据本专利技术，催化剂的涂覆量可为
0.1
‑
3mg/cm2，如
0.5
或1或
2mg/cm2，
[0023]根据本专利技术，所述有机反应可为选自芳香醇氧化反应
、
芳香醛还原反应
、
环烯烃环氧化反应
。
[0024]根据本专利技术，所述油相有机反应物为难溶于水或不溶于水，或者是弱极性或非极性液体有机物的油相有机反应物，特别为选自芳香醇
、
芳香醛
、
环烯烃等中的油相有机反应物；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种固
‑
水
‑
油三相电催化反应系统，其中，所述系统包括油相有机物腔室和电化学装置，所述电化学装置的工作电极分隔所述油相有机物腔室和所述电化学装置，以形成所述油相有机物腔室和所述电化学装置共用的分隔壁，注入油相有机物腔室中的油相有机物能够通过工作电极扩散至附在其上且在邻近电化学装置侧的催化剂处进行有机反应，其中，所述工作电极能够阻挡电化学装置中的电解液进入油相有机物腔室
。2.
根据权利要求1所述的电催化反应系统，其中，所述电化学装置包括电源
、
对电极
、
对电极侧腔室
、
离子交换膜
、
工作电极侧腔室
、
工作电极，其中，所述工作电极侧腔室和对电极侧腔室用于容纳电解液，并且对电极侧腔室和工作电极侧腔室通过阳离子交换膜隔开，并且，所述工作电极为涂覆有催化剂的油相扩散层，所述工作电极与对电极分别与电源连接
。3.
根据权利要求1或2所述的电催化反应系统，其中，所述对电极以为铂电极或泡沫镍电极；所述工作电极为涂覆有催化剂的油相扩散层；优选地，所述油相扩散层选自碳纸或碳布；所述油相有机物腔室
、
对电极侧腔室
、
工作电极侧腔室的侧壁上分别设有一个或两个以上的开口
。4.
一种固
‑
水
‑
油三相电催化有机反应的方法，所述方法包括：将电解液注入通过负载有催化剂的工作电极与油相有机物腔室分隔的电解液腔室中，并测试
LSV
曲线；将油相有机物注入油相有机物腔室中，通电开始电解，其中，所述工作电极能够使油相有机物中的油相有机反应物通过其扩散至附在其上的催化剂处进行有机反应，并能够阻挡电解液进入油相有机物腔室；优选地，使用根据权利要求1至3任一项所述的电催化反应系统进行所述有机反应
。5.
根据权利要求4所述的方法，其中，所述工作电极为涂覆有催化剂的油相扩散层；和
/
或所述催化剂的涂覆量为
0.1
‑
3mg/cm2；和
/
或所述油相有机物为油相有机反应物本身或其在相应溶剂中的溶液，所述浓度例如以重量百分比计在1重量％
‑
100
重量％范围内的量包含所述油相有机反应物，特别地，所述油相有机反应物为难溶于水或不溶于水的油相有机反应物，特别为选自芳香醇
、
芳香醛或酮
、
环烯烃等有机反应物；特别地，所述油相有机反应物为选自苯
(C1
‑
C4
烷基
)
醇，苯
(C1
‑
C4
烷基
)
醛，苯基
(C1
‑
C4
烷基
)
酮，3‑8元环烯烃，其中苯基为未取代或被选自
C1
‑
C4
烷基
、C1
‑
C4
烷氧基
、
卤素中的1至3个取代基取代；特别地选自苯甲醇
、
苯乙醇
、
苯丙醇
、4
‑
甲基苯甲醇
、4
‑
甲氧基苯甲醇
、4
‑
氟苯甲醇
、3
‑
甲基苯甲醇
、
糠醛
、
苯甲醛
、
苯乙醛
、
苯丙醛
、4
‑
氟苯甲醛
、4
‑
甲基苯甲醛
、
丁酰苯
、
环辛烯
。6.
根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述有机反应为醇氧化反应，所述催化剂选自
β
‑
Ni(OH)2、NiFe<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铁锐，张学瑞，施润，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：