[發(fā)明專利]炭基電催化劑與TS-1熱催化劑串聯(lián)的方法及其在電催化氧還原原位制環(huán)氧丙烷中的應用

在審

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• 申請日: 2022-06-30
• 公開（公告）號: CN115125574A
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發(fā)明（設計）人: 陸安慧;郝廣平;董靈玉;關銘昊
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B3/29;C25B3/07;C25B1/30
• 代理公司: 大連格智知識產(chǎn)權代理有限公司 21238
• 代理人: 潘小鐵;劉琦

本發(fā)明提供一種炭基電催化劑與TS?1熱催化劑串聯(lián)的方法及其在電催化氧還原原位制環(huán)氧丙烷中的應用。在陰極側(cè)，炭基電催化劑為氧還原產(chǎn)H₂O₂催化劑，炭基電催化劑與熱催化劑TS?1串聯(lián)，協(xié)同作為陰極側(cè)催化劑；同時，向陰極側(cè)通入氧氣和丙烯，氧氣首先在炭基電催化劑的作用下，還原產(chǎn)生H₂O₂；隨后產(chǎn)生的H₂O₂與陰極側(cè)的TS?1結合，原位環(huán)氧化丙烯制備環(huán)氧丙烷。本發(fā)明將炭基電催化劑與TS?1串聯(lián)，以及將氧還原制H₂O₂與丙烯環(huán)氧化反應耦合，實現(xiàn)氧還原產(chǎn)生的H₂O₂原位催化丙烯環(huán)氧化制環(huán)氧丙烷，在流動電解池中環(huán)氧丙烷產(chǎn)量達11.68mmolg_cat^?1h^?1；制備了高活性、高選擇性的過渡金屬單原子摻雜介孔炭，使H₂O₂選擇性可達94％，法拉第效率接近100％，H₂O₂產(chǎn)率高達519mmolg_cat^?1h^?1。

技術領域

本發(fā)明屬于涉及電催化技術領域，涉及一種炭基電催化劑與TS-1熱催化劑串聯(lián)的方法及其在電催化氧還原原位制環(huán)氧丙烷中的應用。

背景技術

環(huán)氧丙烷是塑料工業(yè)中最重要的原料之一，用于生產(chǎn)聚氨酯、聚酯纖維和丙二醇等大宗化學品。在工業(yè)上，環(huán)氧丙烷一般通過氯醇法、共氧化法生產(chǎn)，雖然具有產(chǎn)品成本較低等優(yōu)點，但依然存在副產(chǎn)物多，工藝流程繁瑣，以及產(chǎn)生大量廢水廢渣構成的環(huán)境風險。近年來，過氧化氫直接氧化法(HPPO法)受到廣泛關注，該工藝以過氧化氫(H₂O₂)作為氧化劑、鈦硅分子篩TS-1作為催化劑催化環(huán)氧化丙烯制環(huán)氧丙烷，生產(chǎn)過程中只生成環(huán)氧丙烷和水，工藝流程簡單，環(huán)氧丙烷收率高，且環(huán)境友好。然而，氧化劑H₂O₂的大規(guī)模生產(chǎn)以多步蒽醌工藝為主，能耗大，有機廢物多，難以現(xiàn)場生產(chǎn)，且高濃度H₂O₂的貯存和運輸存在高成本、高風險。因此，為了避免或解決上述問題，HPPO法需要進一步的發(fā)展。

近年來，電催化氧還原反應(ORR)通過兩電子轉(zhuǎn)移過程合成H₂O₂引起了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。與傳統(tǒng)的蒽醌工藝相比，其優(yōu)點是反應條件溫和，可再生電力為驅(qū)動不排放CO₂，以空氣和水為反應原料，所以更符合綠色化工的要求。在電催化ORR中，電催化劑是反應的關鍵。目前，貴金屬是電催化ORR產(chǎn)H₂O₂性能最優(yōu)的電催化劑，但貴金屬昂貴的價格、稀缺性以及對酸性和堿性環(huán)境的耐受性較差限制了其實際應用的可能性。然而，炭材料由于具有較大的比表面積、資源豐富、耐酸堿及高導電性受到了越來越多的關注，并被認為是很有前途和潛力的貴金屬替代品。但純炭基催化劑的電催化活性普遍較低，需要對炭材料進行改性來增加催化活性。現(xiàn)有技術中，炭基催化劑的ORR活性和H₂O₂選擇性還有待進一步提高。

發(fā)明內(nèi)容

針對以上問題，本發(fā)明的目的是為了實現(xiàn)電催化氧還原原位制備環(huán)氧丙烷，而探索電催化劑與熱催化劑的串聯(lián)以及電催化反應與熱催化反應的耦合工程，將氧還原原位產(chǎn)生的H₂O₂應用于丙烯環(huán)氧化生產(chǎn)環(huán)氧丙烷，此外，本發(fā)明還制備了高活性、高選擇性的氧還原產(chǎn)H₂O₂的炭基催化劑。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種炭基電催化劑與TS-1熱催化劑串聯(lián)的方法，包括將TS-1熱催化劑與炭基電催化劑按不同順序先后涂覆在陰極集流體一側(cè)，或?qū)⑻炕呋瘎┡cTS-1熱催化劑混合均勻后涂覆到陰極集流體一側(cè)，得到單側(cè)覆蓋催化劑的電極片。