[发明专利]一种有机物脱氢与加氢耦合的电化学氢泵双反应器

说明书

技术领域

本发明属于电化学工程技术领域，涉及一种有机物脱氢与加氢耦合的电化学氢泵双反应器。

背景技术

电化学氢泵反应器是一种新型膜反应器，它的结构与质子交换膜燃料电池相同，在外加电能推动下，实现电化学反应，可以看作燃料电池的逆过程。其优点主要是可以在阴极产生催化剂原位吸附氢原子，将现有非均相加氢过程中氢气溶解、传质、解离吸附等过程，转化为阴极催化层产生原位吸附氢的过程，直接参与常压下的液相加氢反应。这种供氢方式，可在常压下实现充足的催化剂表面吸附氢浓度，消除外部供氢方式由于氢气传质阻力造成的高压、高能耗和设备复杂性。

由于电化学氢泵反应器的加氢优势，使得研究集中于阴极加氢反应。例如，J.Am.Oil Chem.Soc.76(1999)215中使用电化学氢泵装置进行大豆油加氢，阳极使用水作为氢源，与传统的浆料反应器相比，加氢产物中的反式脂肪酸含量较低；Chen等人在ChemSusChem 8(2015)288中使用氢气作为氢源，对生物质模型化合物丁酮进行加氢，其加氢速率为传统高压反应器的6倍。但上述实验所涉及的氢源均为水和氢气，由于氢气价格较高，而水制氢的电压较高(文献报道其电压接近2V)，导致电化学氢泵加氢的成本增加，而且高电压对仪器有损坏。因此利用低化学能垒的有机物脱氢成为研究热点，有机物脱氢反应一般需要高温来实现脱氢，Catal.Commun.8(2007)2032，Appl.Catal.A 218(2001)171报道了高温条件下(240℃以上)2-丁酮在三相反应器中催化脱氢生成甲乙酮和丁烯。Top Catal.58(2015)149在此基础上提出热解耦合反应器，在反应温度为250℃的条件下，将丁酮与硝基苯直接混合，实现丁酮脱除氢供给硝基苯加氢的双反应耦合，提高了加氢效率和反应热利用率，但是产物难于分离和反应需要高温等问题依然没有解决。

发明内容

本发明提供了一种有机物脱氢与加氢耦合的电化学氢泵双反应器，利用有机物较低的电化学窗口，在较低电压下完成阳极脱氢反应，并将生成的催化剂原位氢通过质子交换膜传导到阴极，供给阴极加氢使用，使得加氢与脱氢两个反应在同一反应器同时反应。同时，利用质子交换膜有效地阻隔阴、阳极反应物的混合，使阴、阳极反应互不影响。

本发明的具体方案如下：

一种有机物脱氢与加氢耦合的电化学氢泵双反应器。在电化学氢泵装置中，以阳极异丙醇脱氢生成的催化剂原位吸附氢作为氢源，供给阴极苯酚加氢，实现脱氢与加氢反应在同一反应器中同时进行。并利用质子交换膜有效地阻隔阴、阳极反应物的混合，实现两反应互不影响。

所述的质子交换膜，是指全氟磺酸质子交换膜(Nafion117)，其离子交换容量为为0.91mmol g^-1。

所述的电化学氢泵装置，是指使用将气体扩散三合一膜电极装入燃料电池中，阴阳极通入反应液后，通过外加电压进行反应，温度控制在60-80℃范围内。外加电压前，应对电池系统加湿一段时间后再通入反应液，避免质子交换膜因为剧烈溶胀而导致三合一膜电极损坏。

所述气体扩散三合一膜电极是将气体扩散电极和全氟磺酸质子交换膜通过热压140℃、3-5MPa、60-90s制成三合一膜电极。

所述的阳极异丙醇脱氢，是指阳极0.5-2.0mol/L异丙醇在外加电压下，通过循环泵以10mL/min在阳极循环，在Pt或者PtRu催化剂，担载量为0.5-4.0mg cm^-2作用下，生成丙酮和催化剂原位吸附氢，其中催化剂原位吸附氢通过质子交换膜传递到阴极催化剂表面，作为氢源直接参与阴极加氢反应，以电流为100mA反应1-3h；

所述的阴极苯酚加氢，是指在外加电压下，通过循环泵以10mL/min在阴极循环，在Pt或者Pd催化剂，担载量为0.5mg cm^-2作用下，0.1mol/L苯酚溶液与阴极催化剂上生成的原位吸附氢进行反应，加氢生成环己酮和环己醇，以电流100mA反应1-3h；