一种电化学装置及其应用

本申请涉及一种电化学装置及其应用，属于电化学领域。

背景技术：

1、环己酮是生产己二酸和己内酰胺的重要原料，也是工业制备过程中的常用溶剂。目前工业上主要的制造工艺为环己烷氧化法，但是这种方法存在诸多缺陷，如工艺复杂、反应产率低、能耗较高，产物中副产物较多且分离困难；木质素是自然界广泛存在的可再生资源，经初步裂解及进一步氢解，可得到大量木质素单体，经分离或进一步加工获得苯酚，苯酚作为木质素下游产品，是生产环己酮的良好原料。

2、目前电催化苯酚还原主要采用在电极表面直接还原的方法，即使用负载催化剂的阴极，在一定电压下在电极表面直接将苯酚还原，例如，专利文献号为cn114836785a的专利公开了一种金属负载型催化剂电催化转化苯酚同时制备环己酮和苯醌的方法，其以负载有金属纳米颗粒的硫掺杂介孔碳材料作为阴极催化剂，实现了苯酚至环己酮的选择性还原。

3、然而，在电极表面直接还原苯酚制备环己酮的方法，因电极的导电需要，导致相较于热催化催化剂载体选择受限，且因电极相较于粉末催化剂比表面积低、反应活性面积小、受传质影响明显等因素反应速率低，不利于大规模生产。

技术实现思路

1、根据本申请的一个方面，提供一种电化学装置，用于电催化选择性还原苯酚制备环己酮；

2、所述电化学装置包括电解池和催化加氢反应器；

3、所述电解池由阳离子交换膜隔开，分为阳极室和阴极室；

4、所述电解池的阴极室一侧与所述催化加氢反应器管路连接。

5、所述阳极室设置有阳极；

6、所述阳极的材料选自碳、ruo2、iro2中的至少一种；

7、所述阳极室中含有阳极电解液；

8、所述阳极电解液选自h2so4、h3po4、hclo4中的至少一种的水溶液；

9、所述阳极电解液的浓度为0.01～3m。

10、所述阴极室设置有阴极；

11、所述阴极的材料选自碳布、碳毡、碳片中的至少一种；

12、所述阴极室中含有阴极电解液；

13、所述阴极电解液含有溶剂、酸、盐和电子载体；

14、所述溶剂选自h2o、meoh、mecn、etoh、dmf、dmso中的至少一种；

15、其主要作用为溶解反应物苯酚及电子载体，根据电子载体的种类可选择不同溶剂以提升溶解度。

16、所述酸选自h2so4、hcl、h3po4、hclo4中的至少一种；

17、所述阴极电解液中，所述酸的浓度为0.01～3m；

18、酸的主要作用为降低电阻及提供质子。

19、所述盐选自na2so4、nacl、na3po4、k2so4、(nh4)2so4、li2so4中的至少一种；

20、所述阴极电解液中，所述盐的浓度为0～3m；

21、盐的主要作用为调节溶液离子强度以改变不同反应物种在催化剂表面的反应活性。

22、所述电子载体选自硫酸氧钒、氯化铕、硅钨酸中的至少一种；

23、所述阴极电解液中，所述电子载体的浓度为0.01～3m。

24、所述催化加氢反应器中含有溶液；

25、所述溶液中含有液体溶剂、酸性物质、无机盐、苯酚和催化剂；

26、所述液体溶剂选自h2o、meoh、mecn、etoh、dmf、dmso中的至少一种；

27、其主要作用为溶解反应物苯酚及电子载体，根据电子载体的种类可选择不同溶剂以提升溶解度。

28、所述酸性物质选自h2so4、hcl、h3po4、hclo4中的至少一种；

29、所述溶液中，所述酸性物质的浓度为0.01～3m；

30、酸性物质的主要作用为降低电阻及提供质子。

31、所述无机盐选自na2so4、nacl、na3po4、k2so4、(nh4)2so4、li2so4中的至少一种；

32、所述溶液中，所述无机盐的浓度为0～3m；

33、无机盐的主要作用为调节溶液离子强度以改变不同反应物种在催化剂表面的反应活性。

34、所述苯酚的浓度为1～500mm；

35、所述催化剂选自负载型金属催化剂，包括载体和金属元素；

36、所述载体选自c、tio2、sio2、sno2中的至少一种；

37、所述金属元素选自pt、pd、ru、cu、fe、co中的至少一种；

38、所述催化剂中，所述金属元素的负载量为0.01～20wt％；

39、所述溶液中，所述催化剂的浓度为0.1～50mg/ml。

40、催化剂既可以粉末形式分散在溶液中，也可以进行固载。

41、所述电解池的工作电压为1.1～3.8v。

42、工作时，所述阳极室发生水氧化反应生成氧气和质子，质子经膜来到阴极室，所述阴极室发生高价态电子载体的还原反应生成低价态电子载体，低价态电子载体与质子一同经泵进入催化加氢反应器，消耗质子将苯酚选择性还原为环己酮为主的有机化合物，同时低价态电子载体转化为高价态电子载体。

43、所述阴极室中的低价态电子载体进入所述催化加氢反应器的速度为0.01～5摩尔每小时每克催化剂。

44、根据本申请的另一个方面，提供一种电催化选择性还原苯酚制备环己酮的方法，采用上述的电化学装置。

45、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

46、相较于传统电催化，催化剂不受制于载体的导电性，因此可使用的催化剂类型更加广泛，同时，由于催化剂载体可选择纳米粉末，使得催化剂获得高比表面积、高分散度的特性，从而获得更好的传质及更快的反应速度。

技术特征：

1.一种电化学装置，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，

6.一种电催化选择性还原苯酚制备环己酮的方法，其特征在于，

技术总结
本申请公开了一种电化学装置及其应用。用于电催化选择性还原苯酚制备环己酮；包括电解池和催化加氢反应器；电解池由阳离子交换膜隔开，分为阳极室和阴极室；电解池的阴极室一侧与所述催化加氢反应器管路连接。相较于传统电催化，催化剂不受制于载体的导电性，因此可使用的催化剂类型更加广泛，同时，由于催化剂载体可选择纳米粉末，使得催化剂获得高比表面积、高分散度的特性，从而获得更好的传质及更快的反应速度。

技术研发人员：李灿,常奔,王庆楠,陈圣棋
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15