专利快讯｜北京工业大学：一种电催化废塑料为甲酸钾和对苯二甲酸钾耦合产氢的方法

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一种电催化废塑料为甲酸钾和对苯二甲酸钾耦合产氢的方法
申请人：北京工业大学
首次申请日：2023-03-07

专利摘要
本发明公开了一种电催化废塑料为甲酸钾和对苯二甲酸钾耦合产氢的方法。包括以下步骤：废塑料通过一定处理手段溶解到碱性溶液中，采用三电极体系，将溶解有废塑料的碱液作为电解液，在H型电解槽进行电催化氧化；三电极体系由工作电极、对电极、参比电极，电解液共同构成电催化反应装置；在恒电压下反应过程中，即可在阴极收集到氢气，在阳极获得甲酸钾和对苯二甲酸钾。本发明生产过程清洁无污染，同时将废塑料转化的高附加值化学品甲酸钾和对苯二甲酸钾可进一步作为工业原料，所产生的清洁气体氢气又可作为能源加以利用，具有广泛的应用前景。

背景技术
塑料因具有良好使用性能、易成型加工及低成本等突出优势，被广泛应用于国民经济与日常生活的各个方面，是不可或缺的重要基础材料。塑料大规模生产和使用方便了人们的日常生活，但也造成了大量的塑料废弃物，不仅造成白色污染还导致生态环境风险逐年累积，严重威胁水土安全和人类身体健康。同时，石油基合成塑料制品如不能获得有效回收和循环利用，也是石油资源的一种巨大浪费。

聚酯是全球产量第二大(中国产量第一大)热塑性高分子材料，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，简称PET)由于其优良的物理机械性能、电绝缘性、耐疲劳性、耐摩擦性和尺寸稳定性等突出优点，是合成涤纶的主要原料，约占合成纤维总量80％以上；同时PET具有无味、无嗅、无毒，可直接接触食品级产品等特点，被广泛用于食品、餐饮等各类包装制品。现阶段大部分PET塑料制品为一次性消费品，其废弃后在自然条件下难以降解，其循环利用主要通过物理再生、化学循环两种方式实现。其中：物理再生由于热和机械加工的双重作用，再生产品分子量不可避免的降低，多为降级利用难以进行多次循环回收，且亦不适合组成复杂的废旧纤维处理。化学循环是指特定化学或生化条件下，将废PET塑料长分子链解聚成单体或裂解成小分子有机物，后经产物纯化或裂解油气精炼制得原材料等升级产品。化学循环在理论上有望实现废塑料“闭合”循环，近年来持续受到科技界、产业界的广泛关注

PET的化学式为(C10H8O4)n，在碱性条件下，PET塑料可经化学水解生成对苯二甲酸(PTA)和乙二醇(EG)，但存在生成产物难以分离等难题。近年来，利用光、电等特定化学条件，在催化剂的作用下，将EG催化升级为甲酸等高值、易于分离的化学品，成为一种极具发展前景的PET高值循环利用途径。例如，文献(Photoreforming of Nonrecyclable PlasticWaste over a Carbon Nitride/Nickel Phosphide Catalyst)报道了PET塑料通过光催化转化为有价值的甲酸盐和乙酸盐。尽管方法完善，但该工艺仍然存在空间生产率低和对单一高价值氧化产物选择性差的问题。

电催化可以由可再生能源(太阳能、风能和水力)驱动，在温和的条件下，阴极产生清洁氢气，阳极的有机化合物则被高效、高选择性的氧化升级为高值含氧化学品，如甲酸钾、乙酸、2,5-呋喃羧酸等羰基化合物。然而，利用电催化手段，将废PET升级转化为高值化学品却鲜有报道。

发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的目的是为了克服目前废塑料垃圾的回收效率低、选择性差、成本高、降级使用等突出问题。废塑料经碱性溶液水解后，生成对苯二甲酸盐和乙二醇，其中乙二醇在电解过程中进一步被催化氧化成甲酸盐。本发明提供一种将废塑料电催化氧化为甲酸钾和对苯二甲酸钾的方法,工艺过程具有绿色环保、生产工艺简单、催化剂成本低、反应效率高、产物纯度高和易于分离等优点。

与现有的技术相比，本发明的优点包括：
(1)本发明将废塑料用电催化的方法催化氧化为甲酸钾和对苯二甲酸钾并耦合产氢，产生高价值化工产品的同时，降低水裂解产氢的电压，比其他方法具有更大的经济效益，更适合产业化和大规模推广。

(2)本发明在常温、常压即可进行，产物选择性、转化率高，产物无需复杂的分离提纯过程，通过简单的方法即可获得大批量的甲酸钾和对苯二甲酸钾，适于工业化实施，具有广泛的应用前景。

（数据来源：智慧芽）