一种PET废塑料耦合二氧化碳联产甲酸的电催化方法技术

本发明专利技术涉及一种PET废塑料耦合二氧化碳联产甲酸的电催化方法；包括：利用水热和高温处理方法制备具有纳米线结构的镍钴尖晶石氧化物电极作为高选择性氧化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)水解液制甲酸的催化阳极；利用水热和高温处理方法制备具有介孔结构的二氧化锡电极作为还原CO2制甲酸的催化阴极；将上述两种催化电极分别作为阳极和阴极组装成两电极催化体系，在较低反应槽压下实现电解池的阴阳两极同时高选择性和高效率的制备甲酸。本发明专利技术通过简单的水热和高温处理方法成功制备了廉价高效的过渡金属基催化电极，组装成两电极催化体系可以实现高效稳定的催化转化PET废塑料和CO2联产高附加值化学品甲酸。联产高附加值化学品甲酸。联产高附加值化学品甲酸。

【技术实现步骤摘要】
一种PET废塑料耦合二氧化碳联产甲酸的电催化方法


[0001]本专利技术属于电催化
，涉及电催化升级回收利用废塑料技术，具体涉及一种PET废塑料耦合二氧化碳联产甲酸的电催化方法。

技术介绍

[0002]由传统化石能源大量消耗而引发的一系列环境污染和能源危机问题日益加剧，发展清洁高效的环境修复技术和寻找可持续的能源供应是目前人类亟需解决的重要科学挑战。塑料作为一类重要的石油衍生品，自Baekeland首次合成出酚醛塑料以来，塑料凭借其便利性、耐用性和易加工性等优势备受青睐。但是，用后即弃的大量废塑料的积累不仅造成了严重的环境污染，影响着地球生物圈层的健康，而且不合理的处置也是一种对碳资源的严重浪费。因此，亟需发展新型环境能源催化技术用于缓解上述废塑料所造成的环境污染和资源浪费问题。
[0003]目前，世界各地都在积极寻求和开发能够高效回收利用废塑料的技术。其中，电催化作为一种可以在常温常压下利用绿色可再生电能驱动的技术，已被广泛应用能源储存和转化领域。塑料废弃物主要是由含有碳、氢和氧等元素的单体化合物通过加聚或者缩聚作用形成的高分子聚合物而组成。鉴于此，利用电催化技术将塑料废弃物中分子单体资源化转化为高附加值化学品和燃料具有重要的研究意义。
[0004]聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为一类重要的缩聚类塑料，可以通过简单的溶剂解作用转化为对苯二甲酸和乙二醇单体。其中，对苯二甲酸可以通过调节溶液pH、沉淀和过滤提纯得到，而乙二醇由于具有较高的沸点(197℃)使得分离提纯较为困难。近期，段昊泓课题组首次利用电催化技术将PET水解产物中的乙二醇高选择性的氧化为甲酸盐，并在阴极实现了联产氢气，实现了PET废塑料的资源化升级回收利用。鉴于目前关于电催化技术用于升级回收废塑料的研究尚处于初级阶段，开发制备廉价高效的过渡金属基催化剂材料和发展合适的阴极半反应与之联产甲酸的研究亟待开展。
[0005]此外，电催化还原二氧化碳反应作为一种重要的阴极半反应，可以通过选择合适的电催化剂实现二氧化碳到C1,C2和多碳产物的转化。例如，锡基氧化物催化剂可以高选择性的将二氧化碳转化为甲酸产物。然而，传统电催化还原二氧化碳制备甲酸过程中，由于阳极水氧化反应具有较高的反应能垒，导致整个催化体系的能耗较高，且阳极产物附加值较低。因此，寻找和发展在动力学易于发生且产物高值化的阳极半反应与二氧化碳半反应耦合，对于降低反应体系的能耗和增加体系价值具有重要研究意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种PET废塑料耦合二氧化碳联产甲酸的电催化方法。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]本专利技术涉及一种PET废塑料耦合二氧化碳联产甲酸的电催化方法，以NiCo2O4电极
作为阳极，以SnO2电极作为阴极，组装成电解反应体系进行电解，在阳极实现PET水解液中的乙二醇选择性氧化为甲酸，在阴极同时实现二氧化碳选择性还原为甲酸；阳极电解液为PET水解液，阴极电解液为碳酸氢盐溶液，电解反应体系中阳极电解液和阴极电解液之间设有离子交换膜。
[0009]作为一个实施方案，所述离子交换膜包括阴离子交换膜、阳离子交换膜和两性离子交换膜。
[0010]本专利技术还涉及一种NiCo2O4电极，其具有三维纳米线结构的镍钴尖晶石氧化物。相对于镍钴纳米晶结构，本专利技术的三维纳米线结构的镍钴氧化物催化电极具有较高的比表面积和丰富的物质扩散通道，大的比表面积更有利于催化剂暴露较多的催化活性位点，提高催化剂的利用率；丰富的物质扩散通道更有利于反应物扩散到催化剂表面，同时也有利于产物扩散传输离开催化剂表面。同时，三维纳米线结构相对于粉末状的纳米晶结构具有较高的结构稳定性，对于催化电极维持稳定的催化活性具有重要作用。
[0011]作为一个实施方案，所述NiCo2O4电极的制备包括如下步骤：
[0012]A1、氯化镍和氯化钴溶解于去离子水中形成溶液A；
[0013]A2、氟化铵和尿素溶解于去离子水中形成溶液B；
[0014]A3、溶液A和溶液B混匀，将碳基导电基底浸没于其中，进行水热反应；
[0015]A4、煅烧退火，得NiCo2O4电极。
[0016]作为一个实施方案，氯化钴、氯化镍、氟化铵和尿素的物质量之比为2～3:1:6:12～14。
[0017]作为一个实施方案，所述水热反应温度为121～161℃，时间为3～6h。
[0018]作为一个实施方案，所述煅烧退火温度为311～411℃，时间为2～4h。
[0019]在一些实施例中，先取氯化镍和氯化钴溶解于去离子水中形成溶液A，取氟化铵和尿素溶解于去离子水中形成溶液B；随后将溶液A和溶液B搅拌混合均匀，转移至反应釜中；然后将碳纤维纸浸没于上述溶液中，在121℃的恒温烘箱中反应6h；最后将上述反应后的电极冲洗干燥后，放入351℃的马弗炉中在空气氛围中煅烧2h，即可得到NiCo2O4/碳纤维纸电极。
[0020]本专利技术还涉及一种SnO2电极，其具有三维介孔纳米片结构的氧化锡。
[0021]作为一个实施方案，所述SnO2电极的制备包括如下步骤：
[0022]B1、硫代乙酰胺溶解于异丙醇中形成溶液Ⅰ；
[0023]B2、取四氯化锡溶解于所述溶液Ⅰ中，将碳基导电基底浸没于其中，进行水热反应；
[0024]B3、煅烧退火，得所述SnO2电极。本专利技术采用的是原位生长制备的一体化电极，无需添加粘结剂和涂布过程，更有利于催化剂维持较好的催化稳定性；此外，本专利技术制备的三维介孔纳米片结构相对于纳米球结构等均具有更大的比表面积，更有利于催化剂活性位点的暴露，也更有利于提高催化剂活性物质的利用率。
[0025]作为一个实施方案，硫代乙酰胺和四氯化锡的摩尔比为3～4:1。
[0026]作为一个实施方案，水热反应的温度为161～181℃，时间为12～24h。
[0027]作为一个实施方案，所述煅烧退火的温度为551～651℃，时间为2～6h。
[0028]在一些实施例中，制备SnO2电极：先取硫代乙酰胺溶解于异丙醇中形成溶液Ⅰ，随后取四氯化锡溶解于上述溶液Ⅰ中混合均匀，转移至反应釜中；然后将碳布浸没于上述溶液
中，在181℃的恒温烘箱中反应24h；最后将上述反应后的电极冲洗干燥后，放入611℃的马弗炉中在空气氛围中煅烧2h，即可得到SnO2/碳布电极。
[0029]作为一个实施方案，所述电解反应体系进行电解时，施加的电解槽压范围为1.1
‑
11V。
[0030]作为一个实施方案，阳极电解液为1.11
‑
1.1M PET溶解在碱溶液中得到的水解液。所述碱溶液包括KOH、NaOH；优选碱溶液浓度为1
‑
3M。
[0031]作为一个实施方案，阴极电解液为1.5
‑
2M碳酸氢盐溶液(NaHCO、KHCO3)。在一些实施例中，阴极电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PET废塑料耦合二氧化碳联产甲酸的电催化方法，其特征在于，以NiCo2O4电极作为阳极，以SnO2电极作为阴极，组装成电解反应体系进行电解，在阳极实现PET碱性水解液中的乙二醇选择性氧化为甲酸，在阴极同时实现二氧化碳选择性还原为甲酸；阳极电解液为PET水解液，阴极电解液为碳酸氢盐溶液，电解反应体系中阳极电解液和阴极电解液之间设有离子交换膜。2.根据权利要求1所述的PET废塑料耦合二氧化碳联产甲酸的电催化方法，其特征在于，所述NiCo2O4电极具有三维纳米线结构的镍钴尖晶石氧化物。3.根据权利要求2所述的PET废塑料耦合二氧化碳联产甲酸的电催化方法，其特征在于，所述NiCo2O4电极的制备包括如下步骤：A1、氯化镍和氯化钴溶解于去离子水中形成溶液A；A2、氟化铵和尿素溶解于去离子水中形成溶液B；A3、溶液A和溶液B混匀，将碳基导电基底浸没于其中，进行水热反应；A4、煅烧退火，得NiCo2O4电极。4.根据权利要求3所述的PET废塑料耦合二氧化碳联产甲酸的电催化方法，其特征在于，氯化钴、氯化镍、氟化铵和尿素的物质量之比为2～3:1:6:12～14。5.根据权利要求3所述的PET废塑料耦合二氧化碳联产甲酸的电催...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵一新，王天富，汪建营，李鑫，张婷，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：