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        醌氫醌綠色環(huán)保合成及電化學研究

        2021-01-18 05:16:42郭虎菲馬池松率為舉王欣陳平
        精細石油化工 2020年6期
        關(guān)鍵詞:對苯二酚伏安電解液

        郭虎菲,馬池松,率為舉,王欣,陳平

        (1.遼寧石油化工大學化學與材料科學學院,遼寧 撫順 113001;2.山東華勝能源有限公司,山東 濟寧 272000)

        醌氫醌是一種比較昂貴的化工原料,主要用于電極和生物傳感器的制備[1-3]。醌氫醌的制備方法早有報道,如:以金屬羧酸鹽或金屬鹽為氧化劑,氧化對苯二酚合成醌氫醌[4-7];也可以由對苯醌還原制得[7-8];更簡單的方法是用等摩爾的對苯酚和對苯醌在醇溶液中混合來制備[7]。也有報道無溶劑固態(tài)條件下,對苯二酚與2-甲氧基苯醌及1,4-萘醌為原料合成相應(yīng)的醌氫醌型衍生物[9-10]。但以上合成方法皆存在污染嚴重、成本高、純度低等問題,限制了其大規(guī)模生產(chǎn)。

        除上述化學反應(yīng)研究酚的氧化外,關(guān)于酚的電氧化也受到人們的關(guān)注和重視。如對苯酚廢水的電氧化降解[11-12]、對苯酚高效電化學合成對苯醌[13]等。雖然已有以對苯二酚為原料電化學沉積微量醌氫醌的報道[14],但是電沉積過程產(chǎn)量小、時間長且使用昂貴的銀電極和二氧化錫玻璃電極,難以有效、低成本、大規(guī)模制備醌氫醌,使其應(yīng)用受到限制。本工作選用價格低廉的鉛電極作為氧化還原電極制備醌氫醌,制備方法簡便、成本低廉,具有一定的工業(yè)化應(yīng)用價值。

        1 實 驗

        1.1 主要試劑與儀器

        對苯二酚,分析純,國藥集團化學試劑有限公司;95%H2SO4,天津大茂化學試劑廠;實驗用水為去離子水。

        AVANCE Ⅲ HD 400核磁共振波譜儀(DMSO-d6),美國布魯克公司;GC7890Ⅱ氣相色譜,上海天美儀器有限公司;MS-155D直流電源,東莞市邁豪電子科技有限公司;自制電解槽;LK2000電化學工作站,天津蘭力科化學電子高技術(shù)有限公司。

        1.2 醌氫醌的制備

        在自制無隔膜電解槽中進行。反應(yīng)前用超聲清洗陽極和陰極鉛板,再用去離子水沖洗、晾干。在電解槽中加入50 mL 5%H2SO4為電解液,在一定溫度和一定電流密度下,以鉛電極分別作為陽極和陰極(S陽極=S陰極=5 cm2),加入一定量的對苯二酚,用處理好的電極進行電解。恒流電解一定時間,反應(yīng)結(jié)束后,將沉淀置于冰水混合液中攪拌0.5 h,抽濾,冷水洗3次,55 ℃真空干燥3 h,稱重,計算收率。取少量產(chǎn)品用乙醇重結(jié)晶,干燥后用于氣相色譜與核磁的檢測。電解裝置如圖1所示。

        圖1 自制電解反應(yīng)裝置

        1.3 醌氫醌電化學分析

        1.3.1 玻碳電極的處理

        鉑絲為對電極,玻碳電極為工作電極,直徑3 mm,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。首先,將玻碳電極用金相砂紙拋光,再在麂皮上用Al2O3繼續(xù)拋光,再用蒸餾水清洗,最后分別用體積比為1∶1的C2H5OH水溶液、HNO3水溶液和蒸餾水進行超聲清洗。在室溫下、0.5 mol/L的H2SO4溶液中選擇電位范圍-1.0~1.0 V,進行循環(huán)伏安的反復掃描,直至出現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)伏安(CV)曲線。

        1.3.2 醌氫醌循環(huán)伏安的測定

        在10 ℃、掃描速率50 mV/s、掃描電勢范圍-1.5~1.0 V、二茂鐵(內(nèi)標物)1.9×10-4mol/L、四丁基六氟磷酸銨(緩沖溶液)0.01 mol/L、三電極系統(tǒng)(鉑電極、鉑碳電極、甘汞電極)條件下測試1.9×10-4mol/L醌氫醌的循環(huán)伏安曲線,乙腈作為溶劑。利用循環(huán)伏安法、計時電量法(計時庫倫法)和單電位階躍計時電流法及常規(guī)脈沖伏安法進行測定,求得動力學參數(shù)。

        1)電子轉(zhuǎn)移數(shù)n的測定。利用常規(guī)脈沖伏安(NPV)法可以測定電極反應(yīng)的n值。進而可推斷電極反應(yīng)得失電子情況。常規(guī)的NPV法波方程為:

        (1)

        式中:F為法拉第常數(shù),Il為極限電流,E1/2為半峰電位。通過I-E曲線可求Il,同時可取部分I值。根據(jù)式(1),作E對ln[(Il-I)/I]關(guān)系曲線應(yīng)為直線,由斜率可求n值。

        2)電極表面擴散系數(shù)的測定。如果醌氫醌在玻碳電極上的反應(yīng)受擴散控制,可以用計時電量法(QA)來測定醌氫醌在玻碳電極上的擴散系數(shù)(DR)。由Contross方程[15-16]:

        (2)

        式中:CR為底物濃度,DR為擴散系數(shù),A為電極表面積,由電量(Q)與時間(t)的關(guān)系曲線可以求得電極表面擴散系數(shù)DR,反映了電極表面的擴散能力。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 醌氫醌產(chǎn)品分析與檢測

        醌氫醌外觀為金屬光澤綠色晶體,其1H NMR表征見圖2。

        由圖2可見,δ=6.554(S,4H),6.877(S,4H),8.610(S,2H)。與標準譜圖一致,可證明產(chǎn)物為醌氫醌。

        圖2 醌氫醌的1H NMR譜

        2.2 電化學反應(yīng)條件對電解反應(yīng)的影響

        2.2.1 反應(yīng)溫度

        以50 mL 5%H2SO4為電解液,加入3 g對苯二酚,電流密度1 000 A/m2,通入電量1 Ah,考察不同反應(yīng)溫度下的產(chǎn)物收率,結(jié)果如圖3所示。

        圖3 產(chǎn)品收率、電流效率與反應(yīng)溫度的關(guān)系

        由圖3可知,醌氫醌收率和電流效率皆隨著溫度升高先增大后減小,在25 ℃時,收率最高,電解電流效率也最高。當溫度低于20 ℃時,電解過程中由于產(chǎn)生大量H2和O2與產(chǎn)物混在一起漂浮起來,大量氣泡難以消除,造成電解困難,收率和電流效率下降。當溫度升高時,醌氫醌的溶解度增大,導致溶液中苯醌的濃度增大,使苯醌可能繼續(xù)被氧化為小分子酸和CO2[17]。

        2.2.2 H2SO4質(zhì)量分數(shù)

        在25 ℃、50 mL電解液、2 g對苯酚、電流密度1 000 A/m2,通入理論電量0.486 Ah。由于理論電量下產(chǎn)品收率等于電流效率[18],因此,實驗僅討論產(chǎn)品收率與反應(yīng)條件的關(guān)系。圖4為H2SO4質(zhì)量分數(shù)對電解反應(yīng)的影響。

        由圖4可見,醌氫醌收率隨著H2SO4質(zhì)量分數(shù)從5%增加到25%而逐漸降低。可能是酸的濃度增大,對陽極的腐蝕性增強,導致其穩(wěn)定性降低,醌氫醌收率降低;但是,當酸濃度低于5%時,電解槽壓會相應(yīng)升高,能耗增加,因此選擇5%H2SO4為適宜。

        圖4 H2SO4質(zhì)量分數(shù)與產(chǎn)物收率的關(guān)系

        2.2.3 電流密度

        其余條件同上,改變電流密度,醌氫醌平均收率的變化情況見圖5。

        圖5 產(chǎn)品收率與電流密度的關(guān)系

        由圖5可見,醌氫醌平均收率隨著電流密度的增加而先增加后減少,電流密度為1 000 A/m2時收率最大,為81.92%;電流密度小于1 000 A/m2時,雖然醌氫醌的收率降低得不多,但是電流密度小,電解時間延長,增加了生產(chǎn)成本;電流密度大于1 000 A/m2時電極穩(wěn)定性顯著下降,腐蝕較快,導致產(chǎn)品收率降低。故1 000 A/m2電流密度比較合適。

        2.2.4 電解液中對苯二酚的含量

        在上述較佳條件下,考察50 mL 5% H2SO4溶液中對苯二酚的含量對醌氫醌收率的影響,結(jié)果如圖6所示。

        由圖6可知,電解液中對苯二酚含量增加時,醌氫醌的收率隨之增加,當對苯二酚增加到3 g時,醌氫醌的收率最高,為88.49%;對苯二酚含量逐漸增加時,隨著電解生成的對苯醌被多余的對苯二酚反應(yīng)生成醌氫醌沉淀出來,避免了對苯醌的過度氧化,收率逐漸增大;當含量大于3 g時,由于濃度過大造成攪拌困難,同時出現(xiàn)反應(yīng)溫度低于20 ℃反應(yīng)時的問題。故在50 mL 5% H2SO4中對苯二酚的量以3 g為宜。

        圖6 電解液中對苯二酚的含量對產(chǎn)品收率的影響

        2.2.5 硫酸循環(huán)利用

        在上述較佳條件下,H2SO4電解液循環(huán)使用對電解反應(yīng)的影響結(jié)果見圖 7。

        圖7 硫酸循環(huán)使用對醌氫醌收率的影響

        由圖7可知,硫酸作為電解液循環(huán)使用對電解反應(yīng)影響不大。硫酸循環(huán)使用5次后對醌氫醌的收率影響不大。

        2.3 醌氫醌的電化學分析

        2.3.1 循環(huán)伏安法測定氧化還原電位

        圖8為各物質(zhì)的循環(huán)伏安曲線。圖9醌氫醌在不同速率下的循環(huán)伏安曲線。由圖8、圖9可見,其中的內(nèi)標物二茂鐵(A)有一對明顯的氧化還原峰,峰值分別為0.331 7 V和0.462 0 V;對苯二酚(B)也有一對明顯的氧化還原峰,分別為-1.061 9 V和-0.390 3 V;醌氫醌(C)的循環(huán)伏安曲線有兩對氧化還原峰,其峰值分別為-0.520 0 V和-0.345 7 V、-1.290 4 V和-0.999 6 V。分別為一對可逆、一對準可逆的氧化還原峰。

        圖8 不同內(nèi)標物的循環(huán)伏安曲線

        圖9 醌氫醌在不同速率下的循環(huán)伏安曲線

        2.3.2 電極過程動力學參數(shù)的測定

        圖10為醌氫醌的常規(guī)脈沖伏安曲線,圖11為E-ln[(Il-I)/I]曲線。由圖11中的斜率可求得n=4.23(≈4),由截距得到E1/2。

        由文獻[19]可知,醌氫醌在玻碳電極上為兩電子兩質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程;醌氫醌得到兩個電子和兩個質(zhì)子被還原,然后醌氫醌失去兩個電子和兩個質(zhì)子被氧化。由圖10得到n≈4,定量證明了醌氫醌在氧化還原過程中確實是雙電子雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程。由此可以推斷,醌氫醌的氧化還原具體機理如下。首先,醌氫醌在溶液中依下式進行部分解離:

        圖10 醌氫醌的常規(guī)脈沖伏安曲線

        圖11 E-ln[(Il-I)/I]的關(guān)系

        解離出的對苯醌在中性質(zhì)子惰性溶劑發(fā)生電化學還原生成對苯二酚,對苯二酚發(fā)生電化學氧化生成對苯醌:

        因此對苯二酚電氧化制備醌氫醌的機理為[20-22]:

        圖12為電量(Q)與時間(t)的關(guān)系。由圖12可見,Q和t1/2呈線性關(guān)系,說明電極過程為擴散過程,從斜率求得電極表面擴散系數(shù)為1.38×10-3cm2/s。

        圖12 計時電量法Q-t1/2的關(guān)系

        3 結(jié) 論

        采用自制鉛電極在自制無隔膜電解槽中,以對苯二酚為原料,采用電化學方法合成了醌氫醌。通入理論電量、溫度25 ℃、50 mL 5%H2SO4為電解液、電流密度1 000 A/m2、對苯二酚濃度60 g/L H2SO4,醌氫醌收率達到88.49%,H2SO4電解液可以循環(huán)使用,連續(xù)使用5次,醌氫醌平均收率達88.68%;循環(huán)伏安電化學測定結(jié)果表明,醌氫醌有兩對氧化還原峰,其在玻碳電極上為兩電子兩質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程,電子轉(zhuǎn)移數(shù)n約為4,其電極過程為擴散過程,電極表面擴散系數(shù)為1.38×10-3cm2/s。

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