[发明专利]一种电催化产过氧化氢耦合有机物选择性氧化装置和方法

说明书

本发明属于电化学有机合成领域，具体涉及一种将电催化产过氧化氢与有机物选择性氧化耦合的装置和方法，反应装置由阳极室、阴极室和有机催化室组成，阴极室含有氧还原制过氧化氢催化剂，阳极室含有水氧化或氢气氧化催化剂，有机催化室含有有机物氧化催化剂，阳极室与有机催化室之间用阳离子交换膜隔开，阴极室与有机催化室用阴离子交换膜隔开；工作时，阴极室通入氧气或者空气，阳极通入氢气或水，有机催化室通入有机反应物；通电条件下，阴极发生氧还原得到OOH^‑，阳极发生水氧化或氢氧化反应得到H⁺，通过相应阴、阳离子交换膜进入中间有机催化室形成H₂O₂，进一步在催化剂作用下氧化有机物。本发明将氧还原产生的低浓度过氧化氢直接用于有机物氧化，避免了H₂O₂的分离、浓缩和储运成本及安全问题，具备显著的经济效益。在其用于苯酚氧化、苯甲醇氧化、糠醇氧化和环己酮转化时，目标产物苯二酚、苯甲醛、糠醛和环己酮肟的选择性均大于98％，对应总电流效率21％～49％。

技术领域

本发明属于电化学有机合成领域，尤其涉及一种电催化产过氧化氢耦合有机物选择性氧化的装置和方法。

背景技术

过氧化氢作为一种常用的化学药剂，是公认的高效、绿色、环保的氧化剂，广泛应用于有机物选择性氧化、废水处理和卫生消毒方面等领域。在工业上，过氧化氢几乎完全是通过蒽醌氧化还原法生产的，虽然具有技术成熟、单程产率高、安全性高等优点，依旧存在投资高、工艺流程复杂，以及大量使用有机溶剂带来的产品污染、环境污染问题。电催化氧气还原是一种更加绿色的产过氧化氢方法，与蒽醌法相比，它以氧气为原料、以电能为驱动合成过氧化氢，无需引入其他溶剂，也不会排放有害物质，更符合绿色化工的要求。

然而，电催化氧还原的反应电流密度通常较小，所产生的双氧水浓度较低，需要进一步浓缩才能制成产品。此外，双氧水的储存和运输存在一定的危险性。如果能将氧还原产生的低浓度的过氧化氢原位应用到有机物的选择性氧化上，即产生的过氧化氢即刻就被催化剂结合并与有机原料进行反应，则可以避免过氧化氢的分离、浓缩、运输、存储等问题，不但提高了安全性，而且降低了成本。

发明内容

本发明提供一种将电催化产过氧化氢与有机物选择性氧化耦合的装置和方法，及其利用该装置和方法连续生产高附加值有机产品。

一种电催化产过氧化氢耦合有机物选择性氧化的装置包括：阴极室(1)、阳极室(2)、有机催化室(3)；有机催化室两端设有液相进出口；有机催化室位于阴极室和阳极室之间；阴极室与有机催化室之间用阴离子交换膜(4)隔开，阳极室与有机催化室之间用阳离子交换膜(5)隔开。

所述阴极室由集流板(10)、气体扩散层(6)和催化层(7)组成，并设置有氧气或空气进、出口及流道。

所述阳极室由集流板(11)、气体扩散层(8)和催化层(9)组成，并设置有水或氢气进、出口及对应流道。

所述有机催化室装填有固体电解质(SE)及催化剂填料，其中固体电解质为苯乙烯-二乙烯苯共聚物微球(Na⁺型或H⁺型)、Al₂O₃、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚环氧丙烷、氧离子导体、氟离子导体中的一种或多种。

本发明还提供了一种电催化产过氧化氢耦合有机物选择性氧化的方法，其特征在于，所述方法为：将加湿后的氧气或空气按一定流速通入阴极室(1)，将加湿后的氢气或水按一定流速通入阳极室(2)。通电时，一定体系温度下，阴极室内氧气或空气在催化剂下发生氧还原反应生成OOH^-；阳极室内在相应催化剂下发生氢氧化或水氧化生成H⁺；分别通过相应阴、阳离子交换膜(4、5)在有机催化室内(3)形成H₂O₂。将一定浓度的有机物水溶液按一定流速通入有机催化室(3)，在催化剂作用下，催化上述H₂O₂选择性氧化有机物得到目标产物并采出。