[發明專利]5-羥甲基糠醛電氧化為陽極反應的全水解裝置及反應方法

在審

• 申請號: 201910326328.5
• 申請日: 2019-04-23
• 公開（公告）號: CN110205645A
• 公開（公告）日: 2019-09-06
• 發明（設計）人: 康毅進;張儒雅;蔣帥虎;饒袁
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: C25B3/02
• 分類號: C25B3/02;C25B1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于能源轉化與儲存科學領域，具體涉及一種新型的以5?羥甲基糠醛電氧化為陽極反應的全解水裝置的設計及反應方法的確定。這個設計因首次將以5?羥甲基糠醛為代表的一系列生物質，使用溫和環保的電催化氧化過程替代傳統熱催化氧化過程進行氧化升級為具有更高附加價值的有機產物。于此同時，將陽極電氧化過程中的電子傳輸到陰極高效產氫。故此設計可以高效快速，節能環保地升級一系列生物質，且同時達到高效產氫。能耗低，產品純，過程簡單的特點使其在能源轉化與儲存領域中有廣泛的應用前景。反應過程溫和環保，裝置設計簡單方便，具有十分重要的應用價值。本發明對于全水解裝置的后續優化，實現高效規模化應用具有重要價值。

技術領域

本發明屬于能源轉化與儲存科學領域，具體涉及一種新型的以5-羥甲基糠醛電氧化為陽極反應的全解水裝置的設計及反應方法的確定。這個設計因首次將以5-羥甲基糠醛為代表的一系列生物質，使用溫和環保的電催化氧化過程替代需加熱，加壓，通氧的傳統熱催化氧化過程進行氧化升級為具有更高附加價值的有機產物。于此同時，將陽極電氧化過程中的電子傳輸到陰極，可高效產氫。故此設計可以高效快速，節能環保，不需高溫高壓地升級一系列生物質，且同時達到高效產氫。能耗低，產品純，過程簡單的特點使其在能源轉化與儲存領域中有廣泛的應用前景。反應過程溫和環保，裝置設計簡單方便，具有十分重要的應用價值。

背景技術

由于原油資源的缺乏和化石能源利用造成的嚴重環境問題，清潔能源的發展成為研究的迫切問題。來自可再生能源的氫生產，如太陽能，風能，在廣泛使用的氫經濟中引起越來越多的關注。如今，在電化學電池中，連續的H₂幾乎是由析氫反應(HER)產生的，這是傳統電解水反應的半反應。在常規水電解中，析氫反應(HER)與析氧反應(OER)緊密結合，從而同時產生氫氣和氧氣。但是，這仍然是正常水電解必須面對的某些問題或缺點。一方面，與HER相比，生產O₂所需的電勢相當高，這意味著OER需要高能耗。具有諷刺意味的是，獲得的O₂的價值不值得這么寶貴的能源成本。另一方面，這種水電解系統獲得氫氣和氧氣的混合氣體產物。氧氣難以分離以獲得高純氫氣，并且混合氣體具有高爆炸風險。基于以上缺點，高輸入能量，低產值，難以分離混合氣體產品和高爆炸風險，于是改善電化學系統是一個意義重大的設計方向。

發明內容

本課題組提出一種新型全水解的設計思路。將HER與5-羥甲基糠醛電氧化相結合，通過陰極產氫和陽極生物質升級來替代原本產生氫氣和氧氣的生產。這種新型全水解裝置是降低消耗和增加經濟價值的有效途徑之一。這種新型全水解裝置優點在于以下三個方面：ⅰ)有機分子氧化比OER需要更低的能量輸入；ⅱ)從有機分子的生產，升級，在工業制造中具有更高的價值和更廣闊的市場；ⅲ)沒有生產O₂，氫氣更容易分離，更容易收集。在過去的五年中，由于有機分子氧化的半反應，混合水電解引起了不少人的關注。遵循三個標準：ⅰ)氧化電位低于OER；ⅱ)有機試劑可溶于水；ⅲ)氧化過程不產生任何氣態產物，這種有機分子的種類已擴大到近十種，如乙醇(EtOH)，苯甲醇(BA)，4-硝基芐醇(NBA)，4-甲基芐醇(MBA)，糠醛(FF)，糠醇(FFA)和5-羥甲基糠醛(HMF)。值得注意的是，衍生自己糖脫水或異構化纖維素生物質的HMF被認為是“沉睡的巨人”并被歸類為頂級化學結構單元。FDCA是HMF選擇性氧化的最終產物，已被認為是生物聚合物合成過程中對苯二甲酸的替代品。由于高附加值的氧化產物及其廣泛的應用，使用HMF電化學選擇性氧化偶聯制氫肯定是一種雙贏的策略，必將有廣泛的發展。到目前為止，已有研究制造不同的過渡金屬基催化劑以實現這種類型的混合水電解。

具體方法包括以下步驟：

(1)使用H型雙缸電解池，中間用陰離子交換膜連接，以氫氧化鉀為溶液，將制得的電極片作為工作電極與對電極；

(2)于1.0～1.5 V恒壓條件下電解，陽極加入0～1 M5-羥甲基糠醛，進行生物質選擇性電氧化，在陰極發生析氫反應產生氫氣；