pH不对称成对电合成体系及其应用
技术领域
本发明涉及电化学合成与催化
技术领域
，具体涉及一种pH不对称成对电合成体系及其应用。背景技术
随着能源与环境问题的日益严峻，一场以节约资源和能源，保护生态环境平衡为主的绿色工业革命正在蓬勃兴起，人们都在设想用原子经济型的科学方法来重新设计合成路线，从而在源头上防止污染的产生。这种以绿色合成为目标的方法和技术除化学催化合成和酶催化合成以外，最引人瞩目的合成方法当属电化学合成技术。电化学反应所用的氧化剂或还原剂是电子，这是清洁而干净的物质。目前，世界上许多先进的工业国都采取电合成方法陆续研究和开发各类环境友好、高附加值的产品及其相应的技术，发展速度非常迅速。
目前，在电催化合成领域，大多数报道的反应仅在一个电极室中产生高附加值产品，另一个电极室则进行传统的析氢或析氧反应。这些浪费掉的电子本可以用于更有意义的电合成反应。因此提出一种成对电合成策略，可以同时生产两种高附加值产物。并且这种pH不对称体系作为耦合电催化的有效策略，在需要不同电合成环境的反应中具有巨大的潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种pH不对称成对电合成体系及其应用，所述pH不对称电合成体系可实现在装有不同的电解液的两极室中同时生产高附加值产物，并且可以提高目标产物的产率，降低槽压，提高法拉第效率，显著降低电能消耗。进一步通过动力学调控可以显著降低反应时间并在一极室中得到组分约为100％的目标产物。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种pH不对称成对电合成体系，由三个电解池串联而成，相邻的两个电解池之间由离子交换膜隔开。
所述三个电解池分别为依次串联的阴极池、中间池和阳极池。
所述阴极池中的电解液为碱性电解液、酸性电解液或任意pH值的缓冲液。
所述中间池中的电解液为磷酸缓冲液、柠檬酸缓冲液、碳酸缓冲液或醋酸缓冲液等缓冲液。
所述阳极池中的电解液为碱性电解液、酸性电解液或任意pH值的缓冲液。
所述离子交换膜为阴离子交换膜或阳离子交换膜；在装有碱性电解液的电解池和中间池之间使用阴离子交换膜，在装有酸性电解液的电解池和中间池之间使用阳离子交换膜。
所述电合成体系使用三电极或四电极体系，工作电极和对电极分别为两极的催化剂，参比电极为氢电极、甘汞电极、汞/氧化汞、银/氯化银或汞/硫酸亚汞电极；所述电合成过程使用恒流或恒压实验。
所述电合成体系应用于需要在不同电解液环境下进行电化学催化氧化还原反应的实验中。
所述电合成过程中：电合成反应在用阴阳离子交换膜和中间池隔开的双室电解池中进行，反应物的浓度为5-40mmol/L，反应时间为0.1-5h；反应时阴极室和阳极室均产生高附加值产物。
所述三电解池串联电合成体系与普通的H型电解池电合成体系相比较可以提高目标产物的10％～30％产率，降低0.1～0.3VRHE槽压，提高法拉第效率10％～30％，进而显著降低电能消耗100～200kW·h。
所述体系中通过增加其中一极室中原料的浓度来调控整体的反应速率，可以缩短反应时间3～5h。
本发明原理如下：
在阴阳两电解池的中间串联一个装有缓冲液(pH＝7)的电解池(中间池)，分别以阴阳离子交换膜隔开，通过电解水实验可以验证在反应过程中阴阳两极室中的电解液的pH值保持恒定，满足在不同在电解液环境下同时进行电合成的反应条件。通过增加其中一极室的原料浓度使反应电流保持在较高的状态，进而显著增加了反应速率。
本发明优点如下：
1、所述pH不对称成对电合成体系可以提高目标产物的收率，显著降低槽压，提高总电流效率，显著降低能源消耗。
2、当两个电极室分别含有相同物质的量的原料时，电化学氧化还原反应可同时进行进而生成产率均大于90％的高附加值产品。
3、通过动力学方法可以调节电合成体系的电极反应速率，得到一个组分约为100％的目标产物。
附图说明
图1为pH不对称成对电合成体系示意图。
图2为在碱性电解液或酸性电解液中4-硝基酚(4-NP)的转化、4-氨基酚(4-AP)的产率和总电流效率(法拉第效率)。
图3为在不同4-硝基酚浓度条件下转移43.3c电子所需的时间。
具体实施方式
以下结合实施例详述本发明。
本发明pH不对称成对电合成体系由三个电解池串联而成，相邻的两个电解池之间由离子交换膜隔开，三个电解池为依次串联的阴极池、中间池和阳极池。所述电合成体系使用三电极或四电极体系，工作电极和对电极分别为两极的催化剂，参比电极为氢电极、甘汞电极、汞/氧化汞、银/氯化银或汞/硫酸亚汞电极；所述电合成过程使用恒流或恒压实验。
所述电合成体系应用于需要在不同电解液环境下进行电化学催化氧化还原反应的实验中。
实施例1：
所述pH不对称成对电合成体系如图1所示，采用三电极体系，铜/碳纸作为阴极电极(工作电极)，镍/碳纸作为阳极电极(对电极)，汞/氧化汞电极作为参比电极，使用三电解池串联体系，在阴极电解池中加入浓度为0.05mol/l的硫酸溶液作为电解液，在阳极电解池中加入浓度为0.1mol/l的氢氧化钾溶液作为电解液，阴阳两电解池中间串联一个电解池，里面装有pH为7的磷酸缓冲液，阳极池与中间电解池使用阴离子交换膜隔开，阴极池与中间电解池使用阳离子交换膜隔开。阴极反应物4-硝基酚的浓度为5mmol/L，阳极反应物5-羟甲基糠醛的浓度为5mmol/L，反应电压为-0.05VRHE，体系槽压为1.42VRHE。5-羟甲基糠醛完全被氧化所需反应时间为4～5h，经电化学测试，反应后4-氨基酚的产率为90％～98％，2,5-呋喃二甲酸的产率为92％～98％，总法拉第效率为190.1％(图2)。
对比例1：
采用三电极体系，铜/碳纸作为阴极电极(工作电极)，镍/碳纸作为阳极电极(对电极)，汞/氧化汞或银/氯化银电极作为参比电极，采用普通H型电解池体系，在阴极电解池和阳极电解池中分别加入浓度为0.1mol/l的氢氧化钾溶液作为电解液，阴极反应物4-硝基酚的浓度为5mmol/L，阳极反应物5-羟甲基糠醛的浓度为5mmol/L，反应电压为-0.25VRHE，体系槽压为1.62VRHE，5-羟甲基糠醛完全被氧化所需反应时间为4～5h。经电化学测试，反应后4-氨基酚的产率为71％～77％，2,5-呋喃二甲酸的产率为96％～98％，总法拉第效率为172.3％。(图2)
实施例2：
采用三电极体系，铜/碳纸作为阴极电极(工作电极)，镍/碳纸作为阳极电极(对电极)，汞/氧化汞电极作为参比电极，使用本发明的三电解池串联体系，在阴极电解池中加入浓度为0.05mol/l的硫酸溶液作为电解液，在阳极电解池中加入浓度为0.1mol/l的氢氧化钾溶液作为电解液。阴阳两电解池中间串联一个电解池，里面装有pH为7的磷酸缓冲液，阳极池与中间电解池使用阴离子交换膜隔开，阴极池与中间电解池使用阳离子交换膜隔开。阴极反应物4-硝基酚的浓度为40mmol/L，阳极反应物5-羟甲基糠醛的浓度为5mmol/L，反应电压为-0.05VRHE。5-羟甲基糠醛完全被氧化所需反应时间为0.1～0.3h。(图3)
实施例3：
采用三电极体系，铜/碳纸作为阴极电极(工作电极)，镍/碳纸作为阳极电极(对电极)，汞/氧化汞电极作为参比电极，使用本发明的三电解池串联体系，在阴极电解池中加入浓度为0.05mol/l的硫酸溶液作为电解液，在阳极电解池中加入浓度为0.1mol/l的氢氧化钾溶液作为电解液。阴阳两电解池中间串联一个电解池，里面装有pH为7的磷酸缓冲液，阳极池与中间电解池使用阴离子交换膜隔开，阴极池与中间电解池使用阳离子交换膜隔开。阴极反应物4-硝基酚的浓度为10mmol/L，阳极反应物5-羟甲基糠醛的浓度为5mmol/L，反应电压为-0.05VRHE。5-羟甲基糠醛完全被氧化所需反应时间为2.5～3h。如图3所示。
由实施例2-3可知，通过调控反应物的浓度，能够使电流改变，从而调整反应时间。
- 上一篇：石墨接头机器人自动装卡簧、装栓机
- 下一篇：一种电催化析氧催化剂及其制备方法
