【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电催化领域，具体涉及一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛制备2,5呋喃二甲酸和2,5二羟甲基四氢呋喃的装置及方法。
技术介绍
1、5-羟甲基糠醛已被强调为来自生物质的最高附加值化学品之一，被确定为木质纤维素生物精炼厂合成的重要平台化合物，5-羟甲基糠醛由可再生农业资源生产，如粮食作物残茬和木材废料。2,5呋喃二甲酸是5-羟甲基糠醛平台化合物向下游衍生的一种生物基二元酸，被认为是最具有市场潜力的关键单体，可与乙二醇进行聚合制备聚2,5-呋喃二甲酸乙二酯。相比于目前商业化的pet聚酯，聚2,5-呋喃二甲酸乙二酯具有良好的氧气、二氧化碳和水蒸气的阻隔性(6-10倍)，作为包装材料可以有效地提升产品的保质期，此外还具有适应高温、高湿的特点，可以最大程度地满足产品的储存、运输和市场环境要求。聚2,5-呋喃二甲酸乙二酯将会在精酿啤酒、果汁、医美产品和食物等包装材料上得到广泛应用，目前包括可口可乐、嘉士伯和达能等国际一线品牌公司也在积极推进聚2,5-呋喃二甲酸乙二酯产品的应用。此外，2,5呋喃二甲酸被认为是替代对苯二甲酸的环保替代品之一，可广泛用于生产各种聚酯。2,5呋喃二甲酸还可作为可再生生化基础材料，用以合成一系列药物，如聚酰胺和配位化合物等。5-羟甲基糠醛具有成为生物炼制最重要的c6平台化学品之一的巨大潜力。2,5二羟甲基四氢呋喃具有含氧刚性环结构，作为聚合物单体有望在阻隔性、染色性、刚性等方面体现出独特优势，是一种重要的化工原材料。然而，2,5呋喃二甲酸和2,5二羟甲基四氢呋喃高昂的生产成本限制了其在工业规模上的
2、近年来，通过光、热和电催化等方式将5-羟甲基糠醛氧化/还原催化转化为2,5呋喃二甲酸和2,5二羟甲基四氢呋喃引起了广泛关注。虽然获得初步的成效，但仍然存在许多限制因素。例如，热催化转化需要使用大量有机酸、无机酸或无机盐体系，可能造成严重的环境污染、设备腐蚀以及产品分离等问题。电催化转化技术虽然转化效率高，但是需要消耗大量电能并且制备成本高，很难进行工业化推广。光催化转化技术反应条件温和并且环境友好，但存在转化效率低，产物选择性差等缺陷。此外，目前5-羟甲基糠醛到2,5呋喃二甲酸的选择性氧化和5-羟甲基糠醛到2,5二羟甲基四氢呋喃的选择性还原还无法同时实现。
技术实现思路
1、为了解决上述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出了一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的装置及方法。
2、一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的装置，包括光阳极、光阴极、双室反应池、质子交换膜，光阳极和光阴极通过金属导线连接，其中光阳极由bi/bi2o3/α-moo3直接z-型异质结光催化剂制备而成。
3、优选地，光阳极为下凹的盆状结构，将凹面迎向太阳能光源，能更好地收集并聚集光能。
4、进一步地，光阳极与光阴极之间连接有用电器，使产生的电能得到利用。
5、一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的方法，包括如下步骤：
6、s1、合成光阳极催化剂：通过两步水热法制备的bi/bi2o3/α-moo3直接z-型异质结光催化剂；
7、s2、制备光阳极：将s1制备的光催化剂与胶黏剂混合后制备光阳极；
8、s3、制备光阴极：利用湿化学还原法在铜网原位制备氧化亚铜催化剂并作为光阴极；
9、s4、构建反应体系：反应池为双室反应池，将s2制备的光阳极和s3制备的光阴极置于反应池内，通过金属导线连接，两室中间由质子交换膜分隔，将5-羟甲基糠醛溶于naoh水溶液后添加至阳极室和阴极室；
10、s5、催化反应：将反应体系置于太阳光源下反应，得到目标产物2,5呋喃二甲酸和2,5二羟甲基四氢呋喃。
11、进一步地，s2所述光催化剂与胶黏剂的配比为8～10:1。
12、进一步地，s2所述制备光阳极的方法为3d打印技术。
13、进一步地，s2所述胶黏剂为聚偏氟乙烯、全氟磺酸型聚合物或导电炭黑等。
14、优选地，s2所述光阳极为下凹的盆状结构。
15、进一步地，s4所述5-羟甲基糠醛的浓度为5～15mm。
16、进一步地，s4所述naoh水溶液ph大于10。
17、本技术方案所依据的科学原理是，当光催化剂受到光子能量大于禁带宽度辐照时，价带中的电子会被激发跃迁到导带，从而在空穴中产生光生空穴(h+)，并在导带中产生光生电子(e-)。h+具有强氧化能力，可以直接与5-羟甲基糠醛发生氧化反应，也可以与水反应产生具有强氧化能力的羟基自由基(·oh)，·oh再与5-羟甲基糠醛发生氧化反应,在h+和·oh的双重作用下，可以将5-羟甲基糠醛选择性氧化为2,5呋喃二甲酸。而e-将从外电路转移到氧化亚铜/铜网光阴极，氧化亚铜与5-羟甲基糠醛发生特异性吸附，并在具有很强还原能力的e-作用下，将5-羟甲基糠醛选择性氧化为2,5二羟甲基四氢呋喃。另外，如果在外电路中连接用电器，e-在外电路中的转移也可以用于发电。
18、本专利技术有益效果：
19、本专利技术可同时实现5-羟甲基糠醛到2,5呋喃二甲酸的选择性氧化和5-羟甲基糠醛到2,5二羟甲基四氢呋喃的选择性还原，并且具有较高的目标产物选择性和产率，为生物质的高值定向转化提供了可行方案。
20、此外，本技术方案不仅实现了5-羟甲基糠醛到2,5呋喃二甲酸和2,5二羟甲基四氢呋喃的高值定向转化，同时还可以作为发电系统。
21、本技术方案与热催化转化技术相比，可以提升目标产物的选择性以及产率，避免了多种混合副产物导致的产物分离难题，同时也避免了有机酸和无机盐溶剂对设备的腐蚀和带来的环境风险；与电催化转化技术相比，减少了能源消耗，因为本技术方案中驱动反应的能量来自太阳光，而太阳光是取之不尽用之不竭的自然资源；与光催化转化技术相比，提升了催化转化效率。
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1.一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的装置，包括光阳极、光阴极、双室反应池、质子交换膜，光阳极和光阴极通过金属导线连接，其中光阳极由Bi/Bi2O3/α-MoO3直接Z-型异质结光催化剂制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的装置，其特征在于，光阳极为下凹的盆状结构。
3.根据权利要求1所述的一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的装置，其特征在于，光阳极与光阴极之间连接有用电器，使产生的电能得到利用。
4.一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的方法，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的方法，其特征在于，S2所述光催化剂与胶黏剂的配比为8～10:1。
6.根据权利要求5所述的一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的方法，其特征在于，S2所述制备光阳极的方法为3D打印技术。
7.根据权利要求4所述的一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的方法，其特征在于，S2所述胶黏剂为聚偏氟乙烯、全氟磺酸型聚合
8.根据权利要求4所述的一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的方法，其特征在于，S2所述光阳极为下凹的盆状结构。
9.根据权利要求4所述的一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的方法，其特征在于，S4所述5-羟甲基糠醛的浓度为5～15mM。
10.根据权利要求4所述的一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的方法，其特征在于，S4所述NaOH水溶液pH大于10。
...【技术特征摘要】
1.一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的装置，包括光阳极、光阴极、双室反应池、质子交换膜，光阳极和光阴极通过金属导线连接，其中光阳极由bi/bi2o3/α-moo3直接z-型异质结光催化剂制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的装置，其特征在于，光阳极为下凹的盆状结构。
3.根据权利要求1所述的一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的装置，其特征在于，光阳极与光阴极之间连接有用电器，使产生的电能得到利用。
4.一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的方法，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种光电催化选择性氧化/还原5-羟甲基糠醛的方法，其特征在于，s2所述光催化剂与胶黏剂的配比为8～10:1。...
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