[发明专利]适用于合成2,5-呋喃二甲酸的电催化剂及制备和应用方法

说明书

本发明提供一种适用于合成2,5‑呋喃二甲酸的电催化剂及制备和应用方法，本方案提供的电催化剂能实现安培级电流密度的5‑羟甲基糠醛的电氧化，同时表现出对产物2,5‑呋喃二甲酸高达99%的产率与近100%的法拉第效率。该电催化剂催化活性与能量利用率高、产物选择性与转化率高，易于放大生产制备，具备大规模应用的前景。

技术领域

本发明涉及电催化生物转化领域，特别涉及一种适用于合成2,5-呋喃二甲酸的电催化剂及制备和应用方法。

背景技术

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为最重要的工程塑料之一，因其出色的性能得到了广泛的应用。PET由石油基单体对苯二甲酸(PTA)与乙二醇聚合而成，故PET的合成需要消耗大量不可再生的石油资源，并导致温室气体如二氧化碳的排放。然而此类化石能源诸如煤炭与石油的大量消耗直接导致了温室效应的加剧，环境问题的严重化给人类生存带来了巨大的挑战，因此，开发利用绿色、可再生的用以取代传统化石能源的清洁能源迫在眉睫。

经过研究发现，生物基材料能有效地避开对传统化石能源的依赖，并因其低碳清洁、来源广泛、可再生等特点，受到了广泛的关注，2,5-呋喃二甲酸(FDCA)被认为是对苯二甲酸的最佳替代品，并可用于合成聚呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)以代替PET材料。

传统合成2,5-呋喃二甲酸的方法可分为下述几种路径：(1)5-羟甲基糠醛(HMF)氧化路径，以5-羟甲基糠醛为原料，通过化学或生物氧化的方法，将羟甲基与醛基氧化为羧基制备FDCA；(2)糠酸歧化路径，糠酸金属盐在碱性、高温条件下加羧基歧化生成FDCA；(3)己糖二酸环化路径，己糖二酸在高温、催化剂存在条件下环化生成FDCA；(4)二甘醇酸环化路径，二甘醇酸的酯化产物与1,2-二羰基化合物缩合制备FDCA等。上述合成2,5-呋喃二甲酸的路径中，由于5-羟甲基糠醛作为起始原料合成2,5-呋喃二甲酸的氧化路径能有效避免大量溶剂的使用，同时该操作路线较为简单、废弃物排放少。且5-羟甲基糠醛能以纤维素作为起始原料得到，来源广泛，大大降低了产品的成本，故该5-羟甲基糠醛(HMF)氧化路径是最被广泛关注的。

目前5-羟甲基糠醛氧化以化学氧化法为主，需要铂(Pt)、金(Au)、钯(Pd)、铑(Rh)等贵金属催化剂的参与，为增加5-羟甲基糠醛的氧化效率与反应速率，也常常需要化学氧化剂及高温高压的条件，这对2,5-呋喃二甲酸的绿色规模化生产带来了挑战。为了解决传统化学催化氧化带来的弊端，电化学催化氧化5-羟甲基糠醛近年来收到了广泛的关注，该方法可以在常温常压的条件下进行，能有效避免反应过程中能量的过度损耗；同时，电化学氧化能有效避免化学氧化剂的使用，进一步降低反应成本；阳极氧化5-羟甲基糠醛能与阴极产氢或生物质还原相偶联，从而进一步提升电能的利用率。但5-羟甲基糠醛在水溶液中电化学氧化的速率较慢、电流密度较低，许多情况下仍需贵金属催化剂的参与，且产物2,5-呋喃二甲酸的产率与法拉第效率均较低，此外，为满足工业化的要求，大电流密度下5-羟甲基糠醛的氧化通常需要施加较高的电压，从而使得水氧化反应的竞争剧烈，降低了电能利用效率。此外，催化剂的稳定性常常成为限制其大规模应用的重要因素之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于合成2,5-呋喃二甲酸的电催化剂及制备和应用方法，以电化学沉积的纳米片状催化剂为阳极，实现了安培级电流密度的5-羟甲基糠醛电化学氧化，以制备得到高法拉第效率和产率的2,5-呋喃二甲酸，同时该电催化剂具有十分优异的稳定性与产物选择性，可在长时间运行仍保持较高催化性能。

为实现以上目的，本方案提供了一种适用于合成2,5-呋喃二甲酸的电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S：选用电化学沉积载体，其中所述电化学沉积载体包括但不限于泡沫金属载体和非金属载体的一种；若选用所述泡沫金属载体，去除所述泡沫金属载体表面的氧化覆盖层和有机污染物；