一种光催化水凝胶的制备及其在光催化氧化木糖合成乳酸中的应用

文档序号：25996320发布日期：2021-07-23 21:11阅读：223来源：国知局

本发明涉及一种光催化水凝胶的制备及其在光催化氧化木糖合成乳酸中的应用，属于催化技术领域。

背景技术：

随着石油等不可再生资源的日益枯竭，以可再生的生物质为原料生产化工产品已经成为实现化工产业可持续发展的趋势。乳酸作为生物质精炼产生的一种重要的高价值化学品，主要用于食品、制药工业和生物可降解塑料(如聚乳酸)的制造等领域。在可持续发展的社会中，乳酸的市场需求日益增长。目前，乳酸主要的生产工艺是利用转基因酶从淀粉水解葡萄糖发酵获得。但该生物工艺存在产量低、反应条件苛刻(温度和ph值)、微生物种群控制繁琐等缺点。因此，发展一种高效、环保的方法合成乳酸具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有乳酸合成的不足，提供一种光催化水凝胶的制备及其在光催化氧化木糖合成乳酸中的应用。本发明以一种简单的方法制备得到光催化水凝胶，再以光催化水凝胶作为光催化剂，通过光催化反应将木糖氧化合成乳酸。本发明制备催化剂的方法具有普适性，可大规模生产。本发明所用催化剂具有稳定性好、催化活性高及可循环使用等优点。本发明的合成方法简单易控、成本低、“绿色”无污染。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于光催化氧化木糖合成乳酸的光催化水凝胶的制备方法，将半导体、壳聚糖与碱-尿素体系搅拌均匀，然后放入超低温冰箱内，经过简单的冻融法得到不同半导体掺杂的光催化水凝胶材料，具体包括如下步骤：

(1)将lioh、koh、尿素溶于去离子水中；

其中，所述lioh、koh、尿素与去离子水的质量比为3～15：10～18：12～18：161；

(2)将壳聚糖、半导体光催化剂加入步骤(1)所得溶液中，搅拌均匀；

其中，壳聚糖、半导体光催化剂、步骤(1)所得溶液的质量比为1～2：0.1：10；

(3)将步骤(2)所得产物冷冻一定时间，其中冷冻温度为-80～-60℃，冷冻时间为8～12h；

(4)将步骤(3)所得产物自然冷却至室温，自然融化形成光催化水凝胶。

根据上述的技术方案，优选的情况下，步骤(1)中，所述lioh、koh、尿素与去离子水的质量比为9：14：16：161。

根据上述的技术方案，步骤(2)中，半导体光催化剂为cuo、g-c3n4、tio2、cds、zno、bivo4、biox(x＝cl、br、i)等中的至少一种，优选的情况下，所述半导体光催化剂为cuo。

根据上述的技术方案，优选的情况下，步骤(2)中，所述壳聚糖、半导体光催化剂、步骤(1)所得溶液的质量比为1.5：0.1：10。

根据上述的技术方案，优选的情况下，步骤(3)中，将步骤(2)所得产物在-70℃冷冻10h。

本发明光催化水凝胶经x-射线衍射、红外光谱等手段进行表征，并将其作为一种良好的光催化剂应用于光催化氧化木糖合成乳酸。

上述方法制备的光催化水凝胶在光催化氧化木糖生成乳酸中的应用，其反应过程为：将上述的光催化水凝胶、木糖和碱性溶液混合均匀，在30.0～90.0℃下光催化反应30.0～180.0min，光催化反应在可见光光照下进行；过滤除去催化剂，滤液经高效液相色谱仪测定乳酸含量。

根据上述的技术方案，优选的情况下，所述碱性溶液为水溶性碱性溶液，如氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钡溶液、碳酸钠溶液、碳酸钾溶液、碳酸氢钠溶液等，优选为氢氧化钾溶液。

根据上述的技术方案，优选的情况下，所述碱性溶液的浓度为0.5～3.0mol/l，优选为1.5mol/l。

根据上述的技术方案，优选的情况下，所述木糖、碱性溶液、催化剂的比例为0.1g：10.0ml：0.2～1.4g，优选为0.1g：10.0ml：0.6g。

根据上述的技术方案，优选的情况下，所述反应温度为60.0℃。

根据上述的技术方案，优选的情况下，所述反应时间为60min。

本发明光催化水凝胶在光催化氧化木糖合成乳酸中的应用，分别从反应时间，反应温度，催化剂用量以及koh浓度等方面对实验条件进行优化；并在最佳反应条件下探究光催化水凝胶的循环使用性。

本发明的原理：

所述光催化水凝胶催化氧化木糖合成乳酸可作为一种新的能源及高价值化学品。

本发明制备的一种光催化水凝胶，并将其用于光催化氧化木糖生成乳酸的反应中，所制备光催化水凝胶的方法具有较好的普适性，可大规模生产；所用的催化剂具有稳定性好、催化活性高及良好的可循环使用性等优点，简单、高效的催化木糖合成乳酸，具有良好的应用前景；光催化水凝胶光催化氧化木糖合成乳酸的过程具有安全、无毒、见效快及能耗低等优点，解决了目前微生物法乳酸存在的一系列问题，为乳酸的合成提供了一条崭新的途径。光催化水凝胶光催化氧化木糖合成乳酸的反应条件比较温和。本发明工艺简单、反应条件易于控制、所得乳酸在食品、制药工程以及生物可降解塑料(如聚乳酸)的制造中被广泛应用。

本发明的合成方法有如下优点：

(1)本发明合成的乳酸是一种具有高价值的化学品，是一种重要的化工中间体；

(2)本发明的催化剂的制备方法具有普适性，可大规模生产；

(3)本发明的催化剂的制备原料相对价廉易得，适宜于工业化生产；

(4)本发明制备的光催化水凝胶作为催化剂，具有催化活性高及可循环使用等优点；

(5)本发明所用的合成乳酸的方法具有安全、无毒、见效快、能耗低等优点；

(6)本发明的产品为解决能源危机问题提供了一种有效地途径。

附图说明

图1为光催化水凝胶的xrd谱图，其中a为cuo，b为实施例1中lioh、koh、尿素与去离子水质量比为9：14：16：161的光催化水凝胶。

图2为光催化水凝胶的ft-ir谱图，其中a为cuo，b为实施例1中lioh、koh、尿素与去离子水质量比为9：14：16：161的光催化水凝胶。

图3为实施例6中不同的koh浓度对光催化水凝胶光催化氧化木糖合成乳酸的影响图。

图4为实施例6、实施例7中不同的催化剂用量对光催化水凝胶光催化氧化木糖合成乳酸的影响图。

图5为实施例6、实施例8中不同的反应温度对光催化水凝胶光催化氧化木糖合成乳酸的影响图。

图6为实施例6、实施例9中不同的反应时间对光催化水凝胶光催化氧化木糖合成乳酸的影响图。

图7为实施例10中光催化水凝胶光催化氧化木糖合成乳酸的催化剂循环使用性图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术特点，下面通过实施例对本发明作进一步地说明，但是本发明要求保护的范围并不仅限于此。

实施例1

(1)将lioh、koh、尿素按照不同质量比溶于161g去离子水中(lioh、koh、尿素与去离子水的质量比分别为3：14：16：161、6：14：16：161、9：14：16：161、12：14：16：161、15：14：16：161)溶于161g去离子水中，其中lioh、koh、尿素与去离子水的质量比分别为；

(2)将1.5g壳聚糖、0.1gcuo加入10g步骤(1)所得溶液搅拌均匀；

(3)将步骤(2)所得产物放入-70℃超低温冰箱中冷冻10h；