一种缺陷复原策略构筑的水滑石基贵金属催化剂用于5-羟甲基糠醛的电氧化

本发明涉及催化材料，具体涉及一种缺陷复原策略构筑的水滑石基贵金属催化剂用于5-羟甲基糠醛的电氧化。

背景技术：

1、5-羟甲基糠醛(hmf)氧化的重要产物是2,5-呋喃二羧酸(fdca)，已被美国能源部列为建立未来绿色化学工业最有价值的12种化合物之一。hmf的电化学氧化反应(hmfor)不仅可以在阳极产生高价值的氧化产物，还可以替代析氧反应，并与阴极析氢反应耦合，在生物质电催化氧化方面实现了高效的产氢。

2、hmfor的核心是构筑低过电位、高活性、低成本的催化材料。常见的用于hmfor反应的贵金属催化材料有：贵金属颗粒(如pd、pt、au和ru)以及贵金属合金(如ptru和aupd)。然而，贵金属的高成本、分散性差以及负载稳定性低是制约该类催化剂实现广泛应用的一大挑战。一般来说，将超低含量的贵金属限制在非贵金属基材料上是一种平衡催化性能和成本的有效策略。由于贵金属的热力学不稳定性和容易聚集，因此构建均匀分散的贵金属催化剂并非易事。

3、表1中列出了最近报道的高性能电催化hmfor催化剂。

4、表1最近报道的高性能电催化hmfor催化剂

5、

6、

7、但是，现有用于hmfor的催化剂未能实现贵金属在载体上的高度分散；未能选择廉价又兼具电催化活性的载体；载体中未制造丰富缺陷为贵金属提供特殊位点，未能实现贵金属的稳定负载。

8、因此，亟需研发一种催化活性成分分散性好、催化活性高并且稳定性好的催化剂产品。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的催化剂活性成分负载分散性低、催化活性和稳定性不足的问题，提供一种缺陷复原策略构筑的水滑石基贵金属催化剂用于5-羟甲基糠醛的电氧化。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种催化剂载体，其中，包括活化静电纺丝聚合物纤维膜和原位负载于所述活化静电纺丝聚合物纤维膜上的水滑石纳米片；

3、其中，所述水滑石纳米片上均匀分散有电刻蚀产生的空位缺陷；

4、所述水滑石纳米片选自镍铁水滑石纳米片、镍铝水滑石纳米片、镍钴水滑石纳米片、镍锰水滑石纳米片和钴铝水滑石纳米片中的至少一种。

5、本发明第二方面提供一种催化剂载体的制备方法，其中，所述方法包括：以水滑石纳米片原位负载活化静电纺丝聚合物纤维膜为阳极，以惰性电极为阴极，进行电刻蚀后得到催化剂载体；

6、其中，所述水滑石纳米片选自镍铁水滑石纳米片、镍铝水滑石纳米片、镍钴水滑石纳米片、镍锰水滑石纳米片和钴铝水滑石纳米片中的至少一种。

7、本发明第三方面提供一种催化剂，其中，所述催化剂包括催化剂载体和负载于所述催化剂载体上的贵金属粒子；

8、其中，所述催化剂载体为第一方面所述的催化剂载体，或通过第二方面所述的制备方法得到的催化剂载体；所述贵金属粒子分散于水滑石纳米片的空位缺陷中。

9、本发明第四方面提供一种第三方面所述的催化剂的制备方法，其中，以催化剂载体为阴极，以惰性电极为阳极，以可溶性贵金属溶液为电解质，进行电还原后得到催化剂。

10、本发明第五方面提供第三方面所述的催化剂或通过第四方面所述的制备方法得到的催化剂在电催化5-羟甲基糠醛氧化制备2,5-呋喃二甲酸中的应用。

11、通过上述技术方案，本发明所取得的有益技术效果如下：

12、(1)本发明提供的催化剂载体表面负载均匀分散有空位缺陷的水滑石纳米片，具有可调节的层状结构、耐久性和高效的本征催化活性，可以在制备催化剂时使催化活性成分锚定在空位缺陷中，从而实现催化活性成分在载体上的高度分散和稳定负载，最大化利用催化活性成分。

13、(2)本发明催化剂载体廉价，并且具有多金属协同效应从而兼具电催化活性，并具有丰富的缺陷电位为催化活性成分提供特殊位点；

14、(3)本发明提供的催化剂中，多金属协同效应和贵金属的最大利用同时提高了催化性能，具有大规模生产和实际应用的潜力。将其用于电催化5-羟甲基糠醛氧化制备2,5-呋喃二甲酸时，能够获得较高的hmf转化率、fdca产率以及法拉第效率，并且稳定性好。

技术特征：

1.一种催化剂载体，其特征在于，包括活化静电纺丝聚合物纤维膜和原位负载于所述活化静电纺丝聚合物纤维膜上的水滑石纳米片；

2.根据权利要求1所述的催化剂载体，其中，所述活化静电纺丝聚合物纤维膜选自经活化处理的聚丙烯腈静电纺丝纤维膜、聚偏氟乙烯静电纺丝纤维膜、聚酰亚胺静电纺丝纤维膜、聚氨酯静电纺丝纤维膜、醋酸纤维素静电纺丝纤维膜、聚氯乙烯静电纺丝纤维膜和尼龙-6静电纺丝纤维膜中的至少一种；

3.一种催化剂载体的制备方法，其特征在于，所述方法包括：以水滑石纳米片原位负载活化静电纺丝聚合物纤维膜为阳极，以惰性电极为阴极，进行电刻蚀后得到催化剂载体；

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述活化静电纺丝聚合物纤维膜选自经活化处理的聚丙烯腈静电纺丝纤维膜、聚偏氟乙烯静电纺丝纤维膜、聚酰亚胺静电纺丝纤维膜、聚氨酯静电纺丝纤维膜、醋酸纤维素静电纺丝纤维膜、聚氯乙烯静电纺丝纤维膜和尼龙-6静电纺丝纤维膜中的至少一种；

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，通过水热法将水滑石纳米片原位负载于活化静电纺丝聚合物纤维膜上；

6.根据权利要求3-5中任一项所述的方法，其中，所述惰性电极选自石墨电极、碳布和钛网中的至少一种；

7.一种催化剂，其特征在于，所述催化剂包括催化剂载体和负载于所述催化剂载体上的贵金属粒子；

8.根据权利要求7所述的催化剂，其中，所述贵金属粒子选自pt、pd和sn中的至少一种，优选为pt。

9.一种如权利要求7或8所述的催化剂的制备方法，其特征在于，以催化剂载体为阴极，以惰性电极为阳极，以可溶性贵金属溶液为电解质溶液，进行电还原后得到催化剂；

10.权利要求7或8所述的催化剂或通过权利要求9所述的制备方法得到的催化剂在电催化5-羟甲基糠醛氧化制备2,5-呋喃二甲酸中的应用。

技术总结
本发明涉及催化材料技术领域，公开了一种缺陷复原策略构筑的水滑石基贵金属催化剂用于5‑羟甲基糠醛的电氧化。催化剂载体包括活化静电纺丝聚合物纤维膜和原位负载于所述活化静电纺丝聚合物纤维膜上的水滑石纳米片；其中，所述水滑石纳米片上均匀分散有电刻蚀产生的空位缺陷；所述水滑石纳米片选自镍铁水滑石纳米片、镍铝水滑石纳米片、镍钴水滑石纳米片、镍锰水滑石纳米片和钴铝水滑石纳米片中的至少一种。本发明还涉及所述催化剂载体的制备方法、催化剂及其制备方法和应用。将本发明的催化剂用于电催化5‑羟甲基糠醛氧化制备2,5‑呋喃二甲酸时，能够获得较高的HMF转化率、FDCA产率以及法拉第效率，并且稳定性好。

技术研发人员：陈伟,郑若轩,宋宇飞,尹汝涛
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15