[发明专利]一种光催化制备2,5-呋喃二甲酸的催化剂及制备方法和应用

说明书

一种光催化制备2,5‑呋喃二甲酸的催化剂,包括载体和活性金属组分，按最终催化剂重量计，活性金属组分的质量分数为1%‑20%，其余为载体。所述的载体为石墨烯、碳化硅、氧化铝、二氧化硅、活性炭或者氮化碳中的一种。所述的活性金属组分为金、钯、铂、银、钌、铑中的一种或两种。本发明具有绿色环保，操作简单安全，转化率高，选择性好的优点。

技术领域

本发明涉及一种光催化制备2,5-呋喃二甲酸的催化剂及制备方法和应用。

背景技术

随着地球上煤炭、石油、天热气等化石能源的日益枯竭以及当前社会对能源需求的不断上升，人们迫切需要寻找一种绿色环保且可再生的新能源。生物质是唯一的含碳可再生资源，且在地球上储量丰富，容易获取，是替代化石能源的理想材料。

通过糖类化合物转化制备化学品是生物质转化中的重要过程。5-羟甲基糠醛是糖类转化中的重要平台化合物，由葡萄糖和果糖等六碳糖经过脱水生成。通过不同程度的氧化，5-羟甲基糠醛可以转化为2,5-呋喃二甲醛(DFF)、5-羟甲基-2-呋喃甲酸(HMFCA)、5-甲酰基-2-呋喃甲酸(FFCA)和2,5-呋喃二甲酸(FDCA)等化合物(Scheme 1)。其中，2,5-呋喃二甲酸在2004年就被美国能源部列入十二种生物基平台化学品，作为对苯二甲酸的替代品，可用于制造生物可降解聚酯塑料、抗腐蚀和防火材料、能源化学品、药物中间体等。

目前合成2,5-呋喃二甲酸的主要方法为计量氧化法、均相催化氧化法和多相催化氧化法。计量氧化法采用NaOCl，BaMnO₄，KMnO₄，N₂O₄和HNO₃等强氧化剂，不仅会腐蚀反应设备，而且会对环境造成很大的危害。采用均相催化剂，则存在产物收率较低，催化剂与产物分离困难等问题。相比之下，多相催化氧化法具有催化活性高，催化剂易回收，且获得的产品选择性高等优点，是目前合成2,5-呋喃二甲酸的主要方法。中国专利(CN103626726)公开了一种在水相溶液中，采用酸性载体负载贵金属催化5-羟甲基糠醛选择性氧化制备2,5-呋喃二甲酸的方法。该方法反应条件温和，反应效率高，选择性好，但是需要在反应中加入大量碱溶液。但是，碱的加入不仅增加了反应器腐蚀的风险，而且得到的产物需要酸化处理，导致了生产成本的增加。中国专利(CN104529957)公开了一种由5-羟甲基糠醛制备2,5-呋喃二甲酸的方法，具有反应条件较温和、廉价且产物收率高等优点，但是生产过程需要大量的有机溶剂和过氧叔丁醇，会对环境造成污染，并且过氧叔丁醇在空气中易燃，极大的增加了生产操作的风险。中国专利(CN105859663)公布了一种以葡萄糖为原料生产2,5-呋喃二甲酸的方法，该方法的原料来源广泛，但是操作复杂，并且使用了焦磷酸钠、 二甲基乙酰胺、碱和浓盐酸等对环境有污染的原料。

发明内容

本发明的目的是提供一种光催化制备2,5-呋喃二甲酸的催化剂及制备方法和应用，该方法绿色环保，操作简单安全，转化率高，选择性好。

本发明提供一种光催化制备2,5-呋喃二甲酸的方法，众所周知，光催化反应是一项绿色环保技术，利用存量丰富且可再生的太阳光能促进2,5-呋喃二甲酸的合成，可以降低反应温度和反应时间，提高反应活性和选择性，消除该反应对碱溶液的依赖，具有低成本、无污染、高转化率和选择性等优点。本发明的反应式如下

本发明的催化剂是一种负载型多相催化剂，其中催化剂包括载体和活性金属组分，按最终催化剂重量计，活性金属组分的质量分数为1％-20％，其余为载体。

如上所述的载体为石墨烯、碳化硅、氧化铝、二氧化硅、活性炭或者氮化碳中的一种；活性金属组分为金、钯、铂、银、钌、铑中的一种或两种。

如上所述的活性金属颗粒的粒径小于50纳米。

本发明催化剂的制备方法包括如下步骤：