[发明专利]一种水滑石基层状催化剂电催化氧化5-羟甲基糠醛制备2,5呋喃二甲酸的方法

说明书

本发明公开一种水滑石基层状催化剂电催化氧化5‑羟甲基糠醛制备2,5呋喃二甲酸的方法，具体方法是：碳纤维纸作为载体，将层状氢氧化物材料通过水热反应负载于碳纤维纸上作为工作电极，使用三电极体系实现电催化氧化，制得2,5呋喃二甲酸。本发明提供的方法具有以下优点：（1）用共沉淀法直接制备层状氢氧化物催化剂，合成方法简便易行，无需高温煅烧或高压气体，能耗少；（2）碳纤维纸直接作为基底，与催化剂材料的接触性好，有利于提高电导率和电子传输效率，增加材料的循环稳定性和耐久性；（3）层状氢氧化物材料表现出对生物质单体的电催化氧化性能，在短时间内完成选择性氧化，且具有优异的电催化产氧活性。

技术领域

本发明涉及一种水滑石基层状催化剂电催化氧化5-羟甲基糠醛制备2,5呋喃二甲酸的方法，属于化工材料技术领域和节能环保领域。

背景技术

随着传统化石能源受到过度开采和无节制地利用，能源危机及环境问题在当今社会愈发严峻，威胁着自然环境和人类生存。因此，研究可持续、可再生的新型能源策略以替代传统非可再生能源对人们来说迫在眉睫。

生物质作为唯一可再生的非石油基碳源是一种极具吸引力的化石能源替代品，其在生物质新能源方面的转化也受到重视。5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF）是一种重要且关键的平台化合物，它作为生物质基碳水化合物与石油基工业有机化合物的中间单体，在加氢或氧化反应后可以生成燃油及其它衍生的化学原料，这些衍生物具有能够替代或部分替代正在被大量消耗的传统化石燃料的潜能。如5-羟甲基糠醛的氧化产物2,5-呋喃二甲酸（2,5-furandicarboxylic acid，FDCA）是美国能源部列为的来源于生物质的十二种重要平台化合物之一，可作为单体制备多种生物质基的聚合物，在有机合成和生物制药等方面有所应用。

但是，目前所使用的传统催化氧化5-羟甲基糠醛的方法存在局限性，主要表现在反应温度较高并需要高压气体的参与，同时所用的催化剂为Pt、Pd和Au等贵金属催化剂。因此，需要设计出新型催化系统和高效催化剂来克服反应条件严苛和成本高昂等问题，实现对5-羟甲基糠醛的有效转化。有学者发现在传统催化氧化5-羟甲基糠醛的反应中，氧气会吸附在催化剂表面并被催化剂金属提供的电子还原，即水中的氧原子可参与氧化反应。由此得到启发，本发明将电催化分解水产氧反应与5-羟甲基糠醛氧化反应相结合，将OER反应中产生的氧气用于氧化5-羟甲基糠醛，在催化剂表面加速OER反应提升产氧效率的同时提高对5-羟甲基糠醛的氧化性能。

水滑石基催化剂具有活性组分易调控，层板可控和环境友好等优点，可通过共沉淀法、模板水热法和离子交换法等方法制备得到。二元水滑石材料中起主要催化作用的是单一的金属离子对，另一活性金属元素的加入起到了调节水滑石组成、形态及反应特性的作用，表现为电催化OER反应有所提升。本发明所用的催化剂的制备手段较为成熟且操作简便，制得的催化剂满足低成本、储量丰富、易制备和高效率的要求，并在催化氧化5-羟甲基糠醛的反应中大大降低了温度和压力，且能够实现对于5-羟甲基糠醛的快速转化和选择性氧化。

发明内容

本发明提供一种水滑石基层状催化剂电催化氧化5-羟甲基糠醛制备2,5呋喃二甲酸的方法，此方法简便易行，使得水滑石基层状催化剂有序地生长在碳纤维纸上，反应过程无需高温和高压气体参与，最终制得的材料表现出优异的电催化产氧性能，且能够在温和条件下完成对5-羟甲基糠醛的选择性氧化制得2,5呋喃二甲酸。

本发明适用的水滑石基层状催化剂材料包括NiCoFe-LDHs, NiCoMn-LDHs, CoMn-LDHs, NiCo-LDHs,NiFe-LDHs, NiMn-LDHs, NiCr-LDHs等多种二元和三元催化剂。