[发明专利]聚合物电解质多层薄膜催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化剂，其包括位于载体上的含金属颗粒的聚合物电解质多层膜，并且本发明涉及制备该催化剂的方法、以及使用该催化剂由氧气和氢气直接制备过氧化氢的方法。

背景技术

目前，过氧化氢总供应量的95％以上是通过蒽醌工艺来制备的。然而，由于需要多个反应步骤来制备过氧化氢并且在所述反应步骤的副反应中形成了副产物，因此该蒽醌工艺需要以下工序：蒽醌溶液的再生工序、从蒽醌溶液中分离过氧化氢的工序以及对分离出来的过氧化氢进行精制的工序[文献J.M.Campos-Martin，G.Blanco-Brieva，J.L.G.Fierro，Angew.Chem.Int.Ed.，第45卷，第6962页(2006)]。因此，使用蒽醌工艺来制备过氧化氢的能耗高且生产成本高，从而导致过氧化氢的价格竞争性下降。

为了解决蒽醌工艺中存在的问题，已经对由氧气和氢气直接制备过氧化氢的反应(其不会生成除水之外的副产物)进行了很长时间的研究，但由于技术上的难题，该研究还尚未得以商业化。该研究存在以下问题。

首先，在将氧气和氢气混合方面存在问题。即，根据氧气和氢气的混合比，氧气和氢气的混合物具有大的爆炸范围，因此该混合物可能非常容易爆炸。当氢气在压力为1atm的空气中的浓度为4mol％～75mol％时，火源会导致混合物爆炸。这里，当使用氧气代替空气时，氢气的可爆炸浓度扩大到4mol％～94mol％。氢气的可爆炸浓度随压力的增加而扩大，从而提高了混合物的爆炸能力[文献C.Samanta，V.R.Choudhary，Catal.Commun.，第8卷，第73页(2007)]。因此，在使用氢气和氧气作为反应物直接制备过氧化氢的工艺中，要将氢气和氧气的混合比控制在安全范围内，并将氢气和氧气的浓度用惰性气体(例如，氮气或二氧化碳)稀释。

除了上述安全问题以外，还存在另一问题，即，虽然制备了过氧化氢，但由于过氧化氢为非常不稳定的化合物，因此其易于分解为水和氧气，并且由于用于制备过氧化氢的催化剂也用于合成水，因此不易于获得高的过氧化氢选择性。因此，在对由氧气和氢气直接制备过氧化氢的反应进行研究时，为了解决上述问题，已经对强酸和卤化物添加剂以及高活性催化剂一起进行了研究。

已经使用贵金属催化剂(如金、铂、钯等)进行了直接制备过氧化氢的反应[文献：P.Landon，P.J.Collier，A.J.Papworth，C.J.Kiely，G.J.Hutchings，Chem.Commun.，第2058页(2002)；G.Li，J.Edwards，A.F.Carley，G.J.Hutchings，Catal.Commun.，第8卷，第247页(2007)；D.P.Dissanayake，J.H.Lunsford，J.Catal.，第206卷，第173页(2002)；D.P.Dissanayake，J.H.Lunsford，J.Catal.，第214卷，第113页(2003)；P.Landon，P.J.Collier，A.F.Carley，D.Chadwick，A.J.Papworth，A.Burrows，C.J.Kiely，G.J.Hutchings，Phys.Chem.Chem.Phys.，第5卷，第1917页(2003)；J.K.Edwards，B.E.Solsona，P.Landon，A.F.Carley，A.Herzing，C.J.Kiely，G.J.Hutchings，J.Catal.，第236卷，第69页(2005)；J.K.Edwards，A.Thomas，B.E.Solsona，P.Landon，A.F.Carley，G.J.Hutchings，Catal.Today，第122卷，第397页(2007)；Q.Liu，J.C.Bauer，R.E.Schaak，J.H.Lunsford，Appl.Catal.A，第339卷，第130页(2008)]。据报道，在这些贵金属催化剂中，钯催化剂显示出相对优异的活性，并且该钯催化剂通常以被负载在载体(如氧化铝、硅石、炭等)上的状态使用。