[发明专利]一种利用太阳能光电催化合成过氧化氢的方法

说明书

本发明涉及利用太阳能光电催化合成过氧化氢的方法,具体包括:提供包含光阴极和阳极的光电化学池；光阴极为具有光响应的半导体催化剂电极，与阳极进行耦合，在光照下不需要外加电压或较小电压在光阴极直接将氧气还原成过氧化氢；使光阴极与溶解在连续相内的至少一种含氧介体的反应物接触，所述连续相包含电解质和中性溶剂；本发明有效地利用太阳能实现能量和物质的转化，克服目前工业中蒽醌法制备中高能耗、贵金属催化剂和环境污染等问题，只需要太阳能，氧气和水就能合成过氧化氢，避免了通过电解方式制备过氧化氢过程中需要消耗电能的问题，为过氧化氢清洁、廉价生产提供了一条可行的方法。

技术领域

本发明属于光电催化和太阳能利用及相关领域，具体涉及通过在光电阴极吸收太阳能产生光生电子将氧气还原，从而生产过氧化氢的方法。

背景技术

过氧化氢(H₂O₂)是一种高效，绿色的氧化剂，反应产物只有水和氧气，是世界最重要化学品之一。随着全球经济的快速发展，过氧化氢的应用领域逐渐从环境保护，纸浆漂白等领域拓展到丙烯环氧化，有机合成领域(Mario Pagliaro,et al.ChemSusChem,2016,9(24):3374-3381.)。而全球市场过氧化氢的需求增加到550万吨(2015年)，并且每年以8％—11％的速度增长。目前，工业上主要通过蒽醌的多步加氢和氧化过程生产过氧化氢，反应中用到的钯基催化剂以及醌类有机溶剂大大增加了生产的成本以及造成了严重的环境污染。因此，国内外研究者在此基础上开发了全新的生产途径，主要有异丙醇氧化法、氢氧直接化合法、电化学法、等离子体法等。这些方法各有优缺点，有待完善。氢氧直接化合法将氢气和氧气按照一定比例通入反应器，在钯催化剂下得到过氧化氢，该过程简捷，环保(Jennifer K.Edwards,et al.Science,2009,323(5917):1037-1041.)，但是H₂和O₂混合易爆以及反应中容易发生副反应从而降低选择性，成为限制该方法的主要因素，而且反应对生产工艺和设备要求很苛刻，难以实现工业化。

另外电化学法也能用于过氧化氢的制备，在常规的电化学方法中存在两种主要的方法：(i)电解槽型方法(Follerand Bombard，J.Appl.Electrochem.1995，25，613-627)和(ii)燃料电池型方法(Yamanaka，Angew.Chem.Int.Ed.2003，42，3653-3655)。遗憾的是，两种类型的方法都需要大量的能量输入，而且对于燃料电池型的方法还需要大量的氢消耗，这就使得这些方法成本高昂，不适合工业推广。

太阳能是取之不尽的清洁能源，每年我国陆地面积接收太阳辐射总量在3.3×10³kJ/(m²年)—8.4×10³kJ/(m²年)，相当于24亿吨标准煤。这对于以化石燃料为基础的能源结构和环境保护具有重要的意义，目前它在光伏电池，光催化领域具有广泛的应用。如硅太阳能电池(专利WO_8505119_A)、有机太阳能电池(专利US_20090029053)和有机污染物降解等。此外，利用太阳能在催化剂的作用下能进行光化学转化实现化学品的合成和能量的储存，为工业化生产提供了一条绿色、环保的方式。CN 103086866 B报道了在光诱导下选择性氧化醛合成酸，CN 103130755 B报道了一种酸性光催化剂一步转化木糖制备糠醛。

迄今为止，利用半导体材料作为光电阴极吸收太阳能进行光电催化氧气还原制备过氧化氢的专利还未见报道，因此，研制能吸收太阳能，高选择性的将氧气还原得到过氧化氢，避免蒽醌法生产过程中的环境污染和催化剂价格昂贵等催化剂，对于环境保护和降低成本具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用光阴极吸收太阳能在简单的设备中通过光电催化的方法生产过氧化氢的方法。