改性纳米二氧化锡催化剂的制备及在锌-硝基苯原电池中的电催化研究

摘要

芳胺是重要的有机化工原料及中间体，在石油化工、有机颜料、医药、农药等领域有着广泛的应用。还原芳香硝基化合物制备苯胺主要有化学法和电化学法，化学还原法通常采用活泼金属（如铁、锌、铝等）或氢气作还原剂，反应过程中原料、产物及副产物均混合在一起，需要经过复杂的后续分离操作,同时产生大量的三废污染物，反应过程中的化学能也没有得到利用，这些缺点导致其难以应用于现代化工业生产，处于将被淘汰的尴尬处境。电化学法一直被认为是一种“绿色化学”方法，电化学法不仅能解决化学法中的不足，降低成本，大大的缩短工艺流程，而且在环境和能源方面具有明显优势，近年来受到人们密切的关注。受锌-空气电池和燃料电池的启发，本文将锌还原硝基苯反应设计成原电池反应，锌粉在负极发生氧化反应生成锌盐，硝基苯在正极还原制备芳胺。同时，制备了一种较高催化活性和选择性、价格低廉的纳米催化剂，并应用于锌-硝基苯电池反应中，主要内容与结果如下： 1. 构建了锌-硝基苯原电池反应器。本文采用三室两膜反应器电还原硝基苯。反应器含有负极室、中间室和正极室。负极室的活性物质为锌粉，反应过程中锌粉氧化生成锌盐，中间室为盐酸溶液，中间室与正极室为膜电极，正极室的硝基苯在膜电极上电还原生成芳胺。通过相关的热力学衡算，该氧化还原反应的标准电极电势为1.7 V，表明该反应可自发进行。 2. 通过调控不同溶剂（乙醇、异丙醇、正丁醇）水热法制备SnO2纳米催化剂并借鉴燃料电池膜电极的制备工艺制备SnO2膜电极。运用扫描电子显微镜（SEM）、X-射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）等手段对SnO2的形貌结构进行表征，同时，利用循环伏安和放电实验对催化剂电化学性能进行研究，气相色谱对硝基苯还原产物定性定量分析。结果表明：以乙醇制备的SnO2是由块状聚集体形成的类火山岩结构，而异丙醇的则是一个个直径为0.5-2μm之间的实心微球， 以正丁醇为溶剂制备的SnO2呈稀疏多孔珊瑚状结构，虽然它们的形貌各有差异，但是构成它们形貌结构的最小纳米颗粒尺寸均为10 nm左右。电化学测试表明：由乙醇为溶剂制备的SnO2对锌还原硝基苯的催化性能最好，正丁醇制备的SnO2催化活性最低，乙醇制备SnO2膜电极还原硝基苯原电池最大放电功率为25.5 mW?cm-2。 3. 通过正交实验研究四氯化锡浓度，四氯化锡和尿素投料比，水热反应温度和时间等对合成的催化剂性能影响。其中正交实验3制备的催化性能最佳，电池最大功率为26.2 mW?cm-2。正交表的结果表明：对催化性能影响最大的因素为四氯化锡的浓度，其次分别是SnCl4·5H2O与尿素的摩尔比、水热反应时间和反应温度，水热反应最佳反应条件为四氯化锡浓度0.333 mol?L-1，四氯化锡和尿素投料比1:3，水热温度160℃，水热时间7 h。此外，还考察了催化剂载量、nafion含量、热压温度及压力对SnO2膜电极性能的影响。结果表明最佳的制备条件为：SnO2载量为1 mg?cm-2、Nafion含量40%，热压温度135℃、压力12 Mpa、时间120 s。最佳工艺条件下制备的膜电极在锌-硝基苯原电池反应中，最大功率密度达31.1 mW?cm-2。 4. 用贵金属Ru改性SnO2制备催化剂。研究结果发现：随着Ru的掺入比增大（10%、20%、30%），Ru/SnO2复合材料更倾向于形成圆球状，圆球状是由一颗颗大小为10 nm左右纳米小颗粒密度堆积而成。XRD图谱中并没有发现钌及其氧化物的衍射特征峰，XPS结果显示Ru取代四方金红石晶格中的Sn原子，形成Ru-Sn-O固溶体。循环伏安和放电性能测试说明，钌的掺杂有利于提高催化剂对硝基苯电还原的催化活性，并且当掺杂为30%时，制备的纳米材料催化性能最优，功率密度为35.5 mW?cm-2。 5. 以多壁氮掺杂碳纳米管为载体，制备MWCNTs/SnO2纳米复合材料，并研究SnO2与碳纳米管的加入比对复合材料结构及性能的影响。TEM结果表明：SnO2与碳纳米管的比例为1:4时，大小为5 nm左右的SnO2纳米颗粒密集堆积在碳纳米管表面，团聚现象较严重。当SnO2与碳纳米管的比例为1:16时，得到的复合材料既保证了SnO2的高负载量，又没有引起催化剂团聚，CV和放电性能测试结果均说明1：16制备的催化复合材料的性能最佳。最大功率密度为45.1 mW?cm-2，对苯胺的选择性高达68.4%，与纯的SnO2与Ru/SnO2相比具有较大的提升。

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