[发明专利]一种光电催化烯烃加氢装置及其应用

说明书

本发明属于烯烃加氢领域，具体涉及一种光电催化烯烃加氢装置及其应用。为解决烯烃分子与H自由基难以有效接触，难以有效调控H自由基产生速率的问题，本发明是一种含有光电催化复合膜的装置，能够以水为氢源，实现光电催化产氢与原位烯烃加氢反应的连串反应装置，包括光电催化复合膜、由光电催化复合膜分割成的阳极室和阴极室、阳极和阴极。以光电催化复合膜作为阳极室和阴极室的隔膜，阳极室加入电解质水溶液，阴极室加入含有烯烃的有机溶液，在氙灯光照和外加电压下，进行光电催化烯烃加氢反应。

技术领域

本发明属于烯烃加氢领域，具体涉及一种光电催化烯烃加氢装置及其应用。

背景技术

烯烃加氢反应是有机化学中基础转化的一种非常重要的工具，广泛应用于制药和精细化工行业。然而，目前的加氢过程通常是以氢气作为氢源，需要在高温高压条件下进行，带来相当大的安全隐患。近年来，氢转移反应越来越受到关注，如醇、烷烃和肼等被用作各种不饱烯烃氢化的氢供体。水作为地球上最广泛使用的溶剂和氢来源具有压倒性优势，如无毒和低成本，因此可能是有机氢供体的理想选择。但由于水分子稳定，难以被激活和脱氢，很少用于转移氢化反应，如何使水活化生成氢是一个巨大挑战。

半导体光催化技术已成为最有前途的制氢技术之一，在光照射下，受光激发电子可以迁移，转移到质子或水中形成H自由基，H自由基随后组合生成H₂气体。近年来，一些研究人员试图以水作为氢源，通过设计高效的双功能催化剂，将光催化产生的H自由基随后与烯烃发生原位加氢反应。但在传统使用的油水混合体系中，亲水性的催化剂表面通常被水分子包围，使烯烃分子与H自由基接触困难，从而导致烯烃加氢效率大大降低。此外，传统方法直接将光催化剂粉末加入到油水混合体系，光催化产生的H自由基速率难以调控，速率太快会导致析H₂反应加剧，速率太慢导致烯烃加氢反应的氢源不足。因此，如何使烯烃分子与H自由基有效接触，并且能够有效调控H自由基产生速率是当前最具挑战性的障碍。

发明内容

本发明要解决的具体技术问题是现有技术中烯烃催化加氢反应油水混合体系中，存在烯烃分子与H自由基接触困难、光催化产生的H自由基速率难以调控的问题，提供一种含有光电催化复合膜的装置，能够以水为氢源，实现光电催化产氢与原位烯烃加氢反应的连串反应装置及应用。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种光电催化烯烃加氢装置，包括反应器、光电催化复合膜、阴极、阳极、光源和直流电源；所述光电催化复合膜设置在反应器内，将反应器分为阳极室和阴极室，所述阴极和阳极分别设置在阴极室和阳极室内，所述直流电源的正极和负极分别与阳极和阴极连接，所述光源设置在阴极室的上方；

所述光电催化复合膜由双极膜和表面负载光电催化剂的疏水膜构成，双极膜是由阴离子交换膜和阳离子交换膜复合而成，所述阳极室为电解质水溶液，阴极室为烯烃有机溶液，所述光源为氙灯。

进一步，所述光电复合膜的制备方法如下：

(1)采用聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚砜、聚苯醚、聚乙烯苄基氯中的一种或几种任意比例的混合物作为阴离子交换膜的支撑，采用一种或几种按任意比混合的含有伯氨基、仲氨基、叔氨基或季氨基的化合物作为阴离子交换膜的固定基团，加入戊二醛溶液作为交联剂，配制阴离子交换膜液，通过流延法制备阴离子交换膜；

(2)采用聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯醚、聚砜和苯乙烯中的一种或几种任意比例的混合物作为阳离子交换膜的支撑，采用一种或几种按任意比混合的含有磺酸基、羧酸基或磷酸基的化合物作为阳离子交换膜的固定基团，加入FeCl₃或CaCl₂溶液作为交联剂，配制阳离子交换膜液，流延于步骤(1)制备的阴离子交换膜表面，得到阳离子交换膜；

(3)将光电催化剂负载于疏水性材料表面，然后超声分散于水溶液或者无水乙醇中，流延于阳离子交换膜表面，得到负载光电催化剂的疏水膜。