[发明专利]一种磁场增强电催化生物质氧化耦合绿氢生产的方法

说明书

本发明公开了一种磁场增强电催化生物质氧化耦合绿氢生产的方法，包括以下步骤：将金属基底浸泡于与空气接触的金属盐溶液中，通过自然腐蚀得到自支撑前驱体；将自支撑前驱体在惰性气体氛围下进行磷化处理；将磷化处理后的自支撑前驱体进行表面电氧化处理，得到磁场响应的整体式电催化剂；以整体式电催化剂作为电催化耦合反应的阳极和阴极，构成双电极体系，在无隔膜电解池中加入含生物质的碱性溶液作为电解液；在阳极和阴极周围施加磁场，磁场的磁力线穿过电极，电极浸入电解液中，阳极进行生物质电催化氧化反应，阴极进行析氢反应。本发明将电解水产氢和生物质氧化耦合，并通过施加外部磁场，加快反应的总速率，提升阴极产氢和阳极生成FDCA的效率。

技术领域

本发明涉及电催化生物质氧化技术领域，尤其涉及一种磁场增强电催化生物质氧化耦合绿氢生产的方法。

背景技术

为了解决化石资源紧缺和全球气候变暖问题，发展可再生能源十分必要，氢气作为一种绿色能源载体，具有燃烧热值高、清洁可再生等优点，将在可持续能源领域发挥巨大作用。电解水制氢是获得高纯度氢气的理想方案，电解水产生的氢气也被称之为“绿氢”，目前的电解水制氢产业与研究中，效果最佳的仍然是贵金属催化剂，但是此类催化剂原料储量少、价格高，限制了其在工业生产中的大规模化应用，因此亟需开发低成本的过渡金属和非金属的高效电解水催化剂。

另一方面，电解水阳极析氧半反应动力学缓慢，这不仅极大地限制了电解水总反应速率，而且析氧反应产生的氧气价值不高。生物质电氧化比析氧半反应更具有热力学和动力学上的优势，选择生物质电氧化来代替析氧反应可以降低反应的总能垒。生物基2,5-呋喃二甲酸(FDCA)由于具有与对苯二甲酸(PTA)相似的共轭刚性环和二酸结构，可代替PTA生产比聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)性能更优的聚呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)，用于生产生物基可降解塑料、半芳香尼龙、不饱和树脂等，此外，FDCA也可用于精细化工、药物合成、手性催化等领域，市场潜力巨大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是如何同步产氢和生成FDCA。

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁场增强电催化生物质氧化耦合绿氢生产的方法，包括以下步骤：

S1、将金属基底浸泡于与空气接触的金属盐溶液中，通过自然腐蚀得到自支撑前驱体；

S2、将自支撑前驱体在惰性气体氛围下进行磷化处理；

S3、将磷化处理后的自支撑前驱体进行表面电氧化处理，得到磁场响应的整体式电催化剂；

S4、以整体式电催化剂作为电催化反应的阳极和阴极，构成双电极体系，在无隔膜电解池中加入含生物质的碱性溶液作为电解液；

S5、在阳极和阴极周围施加磁场，磁场的磁力线穿过电极，电极浸入电解液中，阳极进行生物质电催化氧化反应，阴极进行析氢反应。

本发明制备具有磁场响应性能的整体式催化剂，整体式催化剂具有良好的氧化生物质的能力，同时也具有较好的析氢性能，可以将电解水产氢和生物质氧化耦合，在阴极进行析氢的同时阳极进行生物质的氧化，同步得到两种高附加值的产品，并通过施加外部磁场，加快反应的总速率，提升阴极产氢和阳极生成FDCA的效率。

在优选或可选的实施方式中，所述步骤S4，电极周围施加的磁场强度为0.1～0.5T。磁场对电荷的状态及迁移具有明显的调制作用，磁场可以从以下几个方面来促进电催化反应：(1)调节催化剂与吸附在其表面的氧的自旋电子的排列状态，从而优化反应路径；(2)洛仑兹力能够加快电解液中离子的传质；(3)加快电极与电解液界面的电荷转移。上述方法以磁场响应电催化剂作为工作电极，采用非接触调控方式，通过施加磁场即可起到增强析氢和生物质氧化反应的效果，避免了对电催化剂进行过于复杂和苛刻的设计、制备环节，可以明显降低电催化反应的成本。