全国甲醇生产厂家彪仕奇:常压温和条件下的氧化反应
选择氧化反应通常需要在高温、高压条件中活化O2,这严重限制了氧化反应的应用。全国甲醇生产厂家彪仕奇了解到,北京化工大学项顼、北京师范大学闫东鹏、日本国立材料科学研究所NIMS叶金花通过自由基接力(radical relay)方法实现了将光电水氧化反应与苯甲醇氧化为苯甲醛反应协同进行,实现了温和条件、常压下进行的氧化反应。
甲醇生产企业彪仕奇了解到,在该方法中通过在FTO电极上沉积BiVO4,随后在其上负载薄层(~3 nm)厚度的LDH层状化合物和石墨烯得到光阳极,这种复合结构的光阳极在苯甲醇转化为苯甲醛的反应中有>99 %的选择性(1.2 V vs. RHE)。
在机理验证实验和DFT模拟中显示了·OH自由基反应过程,水氧化反应生成的·OH通过氢键作用吸附在LDH催化剂的界面上,从而降低了氧化反应过程中的活化能。红外光谱测试显示,苯甲醇吸附在LDH催化剂界面上,而生成的苯甲醛无法吸附在界面上。因而通过·OH的氧化作用和产物的易脱附性质抑制了过度氧化(副反应)实现了反应的高选择性。
方法要点
要点1. 光电极制备方法。在FTO上通过电化学沉积方法生长BiVO4(FTO浸渍在Bi(NO3)3·5H2O溶液中,在-0.6 V中进行600 s的电化学沉积反应)。将电化学反应的Bi@FTO电极浸渍在0.2 mL VO(acac)2 DMSO溶液中,随后在450 ℃中加热处理2 h。通过NaOH溶液处理,除去多余的V2O5。
通过水热方法合成石墨烯/LDH/BiVO复合电极。将上步的电极沉积在15 mM Co(NO3)2, 5 mM Al(NO3)3,50 mM尿素,20 mM NH4F溶液,加入石墨烯并进行水热反应,于100 ℃中反应4 h。在水热过程中通过加入丙酮溶液进行水热反应,实现了生成超薄的LDH。
要点2. 催化反应情况。在10 mL PBS (0.1 M, pH 7)中加入2 mmol 苯甲醇,N2吹扫30 min,在模拟太阳光的条件中进行光电催化反应,电压1.2 V,反应时间4 h。结果显示超薄的LDH催化剂有最好的催化反应活性,苯甲醇的转化率为21.5 %,产生了425.7 μmol 苯甲醛,选择性> 99 %。对比样品:BiVO3光电极转化率为2.4 %,苯甲醛选择性为90.2 %;超薄LDH/BiVO3复合电极的转化率为12.2 %,苯甲醛的选择性为98.3 %。
要点3. 催化反应机理研究。通过同位素标记法对H218O进行反应,通过GC-MS质谱检测发现了18O标记的苯甲醛,说明反应中水中的氧转移到产物中。通过调节反应溶液中H218O的含量比例,发现苯甲醛中的18O产物的量随着溶液中的H218O含量提高而增加。通过反应体系中加入H2O2后体系中的·OH在ESR中的信号进行表征。通过自由基捕获反应对3 min,6 min,9 min的自由基情况进行表征。通过FTIR方法验证光电极表面上的吸附物种,气相状态的苯甲醇有OH振动的1208 cm-1和C-O振动的1079 cm-1,吸附在LDH表面,峰发生了偏移(OH振动的变弱,C-O振动峰转移到1057 cm-1),这个结果说明苯甲醇通过C-O键进行吸附。通过对比Co-3O4上对苯甲醛的吸附(展现了1684 cm-1),在LDH上吸附的情况中红外光谱未显示有相关吸收,说明苯甲醛难以在LDH材料上吸附。
天津色谱级甲醇企业彪仕奇了解到,通过对多种不同结构(不同的芳基取代:对位F,Cl,Br,CH3取代)的苯甲醇氧化反应进行探索。这几种醇都有97~99 %的醛选择性,转化率显示:苯甲醇的转化率为7.5 %,对甲基苯甲醇的转化率为9.4 %,对氟、对氯、对溴苯甲醇的转化率分别为7.2 %,6.3 %,7.6 %,选择性分别为>99 %,98 %,>99%。