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纳米氧化锰负载钛基电催化膜制备及其苯甲醇催化氧化性能

田文杰;王虹;尹振;杨映;李建新

【摘要】利用乳液法制备出MnOx纳米颗粒,将其负载于微孔管式钛膜制得

MnOx负载钛基电催化膜(MnOx/Ti).运用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱

(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、循环伏安法(CV)和计时电流法(CA)等表征方法系

统考察了不同焙烧温度下MnOx晶型结构、MnOx/Ti催化膜电化学性能以及催化

氧化苯甲醇的变化规律.结果表明:随着焙烧温度的升高,MnOx的晶型由初始的

Birnessite-MnO2逐渐转变为K0.27MnO2,再由Mn3O4最终转变为α-MnO2.

所得MnOx/Ti膜中,α-MnO2晶粒尺寸小于30nm,结晶度较高,颗粒分布均匀.同

时,由于其含有不饱和配位的锰原子和氧空位以及与基体Ti之间存在键合作用,表现

出优异的电化学性能和催化性能.以450℃焙烧所得的α-MnO2/Ti为阳极构建电

催化膜反应器催化氧化苯甲醇.在反应温度为25℃,50mmol·i-1苯甲醇水溶液,电流

密度为2mA·cm-2,停留时间为15min的条件下,膜反应器苯甲醇转化率达64％,

苯甲醛选择性为79％.

【期刊名称】《物理化学学报》

【年(卷),期】2015(031)008

【总页数】8页(P1567-1574)

【关键词】多孔钛膜;电催化膜反应器;锰氧化物;苯甲醇;催化氧化

【作者】田文杰;王虹;尹振;杨映;李建新

【作者单位】天津工业大学,分离膜与膜过程省部共建国家重点实验室,天津

300387;天津工业大学材料科学与工程学院,天津300387;天津工业大学,分离膜与

膜过程省部共建国家重点实验室,天津300387;天津工业大学材料科学与工程学院,

天津300387;天津工业大学,分离膜与膜过程省部共建国家重点实验室,天津

300387;天津工业大学,环境与化学工程学院,天津300387;天津工业大学,分离膜与

膜过程省部共建国家重点实验室,天津300387;天津工业大学材料科学与工程学院,

天津300387;天津工业大学,分离膜与膜过程省部共建国家重点实验室,天津

300387;天津工业大学材料科学与工程学院,天津300387

【正文语种】中文

【中图分类】O643;O646;TQO53

探索环境友好且具有经济价值的烃类化合物选择性氧化体系是当前有机合成工业以

及催化领域的重点研究方向之一,其中醇类的选择性氧化因其工业应用广泛而备受

关注.1苯甲醇催化氧化是醇类选择性氧化的典型反应,目前的催化剂体系研究主要

集中于负载型纳米贵金属、2杂多酸、3过渡金属氧化物4等.纳米贵金属虽有较高

的催化活性,但存在成本高、易流失、分离回收困难等问题.5杂多酸催化剂的化学

性质同时具有酸性和氧化性,兼具有“液相”的特质,虽具有优良的催化性能,但存在

比表面积小、利用率较低、产物难以从反应体系中分离等问题.6而过渡金属氧化

物因其热稳定性好、抗中毒性能优异、易产生氧空位、选择氧化反应选择性高且成

本较低等诸多优点在多相催化氧化反应中成为研究重点.7,8作为典型的过渡金属氧

化物,锰氧化物具有储量丰富、价格低廉、环境友好、多变的晶体类型、多种微观

隧道结构以及可变的价态等优势,9被越来越多地应用于催化氧化.Su等10对比了

α-MnO2、MnO、Mn2O3、Mn3O4、V2O5、CuO、Co2O3、NiO、Fe2O3等

催化剂选择性氧化苯甲醇制备苯甲醛的催化效果,结果表明,α-MnO2的催化活性较

高,苯甲醇的转化率为37.7%,选择性为98.6%.锰氧化物虽然具有较好的催化性能,

但是由于反应条件比较苛刻,需要添加大量氧化剂等诸多问题而限制其应用.

本研究小组11–14曾报道构建具有催化-强化传质一体化协同作用的电催化膜反应

器,用于电催化氧化正丙醇、四氟丙醇和葡萄糖等低碳链醇类物质.这种反应器以负

载纳米MnO2的导电微孔钛膜(MnOx/Ti)为阳极,不锈钢网为阴极,外接蠕动泵提

供恒定负压.通过优化反应参数,丙醇转化率可达99%,丙酸的选择性为80%;11,12

四氟