[发明专利]一种电催化乙二醇制备乙醇酸的阳极催化剂、体系及电催化乙二醇制备乙醇酸方法

说明书

本发明公开了一种电催化乙二醇制备乙醇酸的阳极催化剂、体系及电催化乙二醇制备乙醇酸方法，其中，所述阳极催化剂，包括泡沫金属以及原位生长在所述泡沫金属上的金属氢氧化物纳米片；所述金属氢氧化物纳米片上负载有金属钯纳米颗粒。本发明提供的上述阳极催化剂能够表现出优异的电催化乙二醇制备乙醇酸的性能，具体表现为，当达到工业级电流密度时(600mA/cmsupgt;2/supgt;)，工作电压仅为1.15V；当乙二醇转化93.2％时，乙醇酸的选择性高达91.6％；此外，该催化剂可以实现超过200小时的稳定电解，优于目前所有的钯基催化剂。

技术领域

本发明涉及电化学催化领域，更具体地，涉及一种电催化乙二醇制备乙醇酸的阳极催化剂、体系及电催化乙二醇制备乙醇酸方法。

背景技术

乙醇酸是一种重要的有机合成中间体和化工产品，广泛应用于有机合成、印染、化妆品、电镀和石油工业等领域，特别是近年来，乙醇酸作为单体被广泛应用于生物可降解塑料的合成。目前，乙醇酸主要通过化学合成法或生物合成法制备，其中，化学合成需要强酸/强碱介质以及苛刻的反应条件(如高温和高压)，而且，存在选择性差和产品分解或聚合等问题；生物方法合成乙醇酸也是一个复杂的过程，它是以羟基乙腈或乙二醇作为原料，腈水解酶或微生物氢化酶作为酶催化剂，需要较长的生产周期和一系列操作参数的精确控制，如pH值、前体浓度和温度等。因此，开发新型、高效的乙醇酸合成策略具有重要意义。

电催化合成乙醇酸，是利用合适的电催化剂，在电的驱动下将乙二醇选择性氧化成乙醇酸的方法。迄今为止，铂和钯等贵金属材料被认为是乙二醇氧化的最佳电催化剂。然而，目前大多数铂和钯类催化剂极易被反应过程中生成的羰基中间体(如CO)中毒，导致其在几百秒内快速失活，这严重限制了电催化合成乙醇酸的工业化发展。此外，由于乙二醇氧化涉及复杂且不可控的氧化过程，包括C₁和C₂途径，催化选择性差，产品分离成本高。因此，开发高催化活性、高选择性以及高稳定性的电催化乙二醇氧化体系及其催化剂仍然是该领域的研究重点。

发明内容

鉴于以上背景，本发明的主要目的是提供一种高选择性、高活性、长时间稳定电解乙二醇制备乙醇酸的阳极催化剂及包含该催化剂的体系。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明提供一种阳极催化剂，该阳极催化剂包括泡沫金属以及原位生长在所述泡沫金属上的金属氢氧化物纳米片；所述金属氢氧化物纳米片上负载有金属钯纳米颗粒。

优选地，在所述阳极催化剂中，金属钯纳米颗粒和金属氢氧化物纳米片的质量密度和为1～5mg/cm²。可以理解，所述质量密度是指每平方厘米的阳极催化剂表面上，含有金属钯纳米颗粒和金属氢氧化物纳米片的质量和为1～5mg。

示例性地，所述金属钯纳米颗粒的粒径为纳米级，如50nm～800nm、100nm～500nm、200nm～400nm等；所述金属氢氧化物纳米片的厚度亦为纳米级，如1nm～100nm、2nm～50nm、10nm～20nm、3nm～10nm等。

优选地，所述阳极催化剂中，金属氢氧化物纳米片和泡沫金属的金属元素种类相同；所述金属元素选自镍、钴、铁和铜中的任一种，更优选为镍。

第二方面，本发明提供一种上述阳极催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将泡沫金属放入盐酸中超声处理，随后清洗吹干，再放入氯钯酸水溶液中，在70～100℃下保温0.5～2h。

优选地，所述氯钯酸水溶液的pH值为7～8。其中，氯钯酸水溶液的pH值会影响金属氢氧化物纳米片的形成。

优选地，所述氯钯酸水溶液的浓度为1～15mmol/L。

更优选地，保温后还包括清洗干燥的步骤：用去离子水清洗多次，再用乙醇冲洗，最后放置在60℃的真空干燥箱中干燥6h。