CN107381725A - 空气阴极及制备方法和污水处理系统 - Google Patents

空气阴极及制备方法和污水处理系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了空气阴极及制备方法和污水处理系统，以及碳基材料在制备催化剂中的用途。该空气阴极包括：扩散层；催化剂层，所述催化剂层含有如前所述的催化剂，所述催化剂层设置在所述扩散层的一侧；以及集电层，所述集电层以及所述催化剂层设置在所述扩散层的同侧。该空气阴极结构简单，无需复杂的操作即可实现制备，可以在较低的电位下，实现通过阴极还原反应制备过氧化氢。

Description

空气阴极及制备方法和污水处理系统
技术领域
本发明涉及环境、材料、能源领域，具体地，本发明涉及空气阴极及制备方法和污水处理系统，以及碳基材料在制备催化剂中的用途。
背景技术
过氧化氢是一种清洁的强氧化剂，在纺织、化工等行业都得到了广泛应用。由于过氧化氢的氧化能力强、氧化产物绿色清洁，因此也用于污水的深度处理，特别是在处理难降解污染物、实现污水的脱色与消毒等方面，均发挥了重要的作用。
然而，目前制备过氧化氢的主要方法是蒽醌氧化法，然而这种方法具有成本高、污染严重等诸多缺点。而基于电化学催化，通过电解水制备过氧化氢的方法，也由于催化剂较为昂贵、产过氧化氢电位过高等原因，难以实现实际应用。
因此，目前用于制备过氧化氢的催化剂、电极以及污水处理系统，仍有待改进。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实的认识和发现而做出的：
氧还原反应是一种广泛应用于电化学系统与生物电化学系统的电极反应，其阴极反应的反应过程分为两电子还原途径与四电子还原途径。其中，两电子还原途径的氧还原反应的产物为过氧化氢。与四电子还原途径不同的是，目前基于两电子还原途径的还原反应，其还原电位的影响因素以及各种影响因素(如电极材料、催化剂以及反应体系)的作用原理仍不清楚。因此，造成电化学反应制备过氧化氢，难以通过一定的理论指导，实现产量的提高以及还原电位的降低。也因此，基于电化学催化反应制备过氧化氢，仍旧难以满足实际生产的需求。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明第一个目的在于提出一种基于碳基材料的电化学产过氧化氢用催化剂。发明人经过深入研究以及大量实验发现，碳黑、石墨烯以及氧掺杂石墨烯，可以有效催化两电子氧还原反应，应用于电化学系统及生物电化学系统原位合成过氧化氢。上述材料成本低廉，制备方法成熟，不涉及贵金属元素，有利于基于电化学催化反应制备过氧化氢的大规模推广应用。并且，上述碳基材料的电学性能良好，直接用于制备催化剂，也不会影响最终电极的导电性能。
在本发明的一个方面，本发明提出了碳黑、石墨烯以及氧掺杂石墨烯在制备催化剂中的用途，所述催化剂用于电催化产过氧化氢。由此，能够提高电化学催化产过氧化氢的性能，降低过氧化氢制备成本，实现绿色化工过程制备过氧化氢。
在本发明的另一个方面，本发明提出了一种空气阴极。根据本发明的实施例，该空气阴极包括：扩散层；催化剂层，所述催化剂层含有如前所述的催化剂，所述催化剂层设置在所述扩散层的一侧；以及集电层，所述集电层以及所述催化剂层设置在所述扩散层的同侧。该空气阴极结构简单，无需复杂的操作即可实现制备，可以在较低的电位下，实现通过阴极还原反应制备过氧化氢。
根据本发明的实施例，该空气阴极进一步包括：支撑层，所述支撑层设置在所述扩散层以及所述催化剂层之间，所述集电层设置在所述催化剂层远离所述支撑层的一侧，所述支撑层是由不锈钢或金属钛形成的。由此，可以为该空气阴极提供可靠的支撑。
根据本发明的实施例，所述扩散层包括碳黑。由此，可以进一步提高该空气阴极的电极性能。
根据本发明的实施例，所述空气阴极产过氧化氢的阴极电势不高于-0.4V。由此，可以进一步提高该空气阴极的电极性能。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种制备前面所述的空气阴极的方法，其特征在于，包括：(1)在集电层的一侧设置催化剂层；以及(2)在所述集电层远离所述催化剂层的一侧设置扩散层，其中，所述扩散层以及所述催化剂层是分别独立地通过加成型处理，设置在所述集电层上的。由此，可以简便地获得上述空气阴极。
根据本发明的实施例，该方法包括：在所述集电层的一侧，通过所述成型处理设置所述催化剂层；在支撑层的一侧，通过所述成型处理设置所述扩散层；以及将设置有所述催化剂层的所述集电层以及设置有所述扩散层的所述支撑层进行加成型处理，其中，所述催化剂层以及所述支撑层相邻设置。由此，可以简便地获得上述空气阴极。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种污水处理系统。根据本发明的实施例，该污水处理系统包括：壳体，所述壳体中限定出反应空间；阳极，所述阳极设置在所述反应空间中，所述阳极附着有产电微生物；以及前面所述的空气阴极，所述空气阴极设置在所述反应空间中，并且所述空气阴极与所述阳极电连接。由此，可以同步实现污水的微生物降解过程以及过氧化氢深度处理过程，从而可以提高该污水处理系统处理污水的效果。
根据本发明的实施例，该污水处理系统进一步包括：附加电源，所述附加电源与所述空气阴极以及对电极相连。由此，可以进一步提高阴极的过氧化氢产量，从而进一步提高该污水处理系统处理污水的效果。
根据本发明的实施例，该污水处理系统进一步包括：深度处理加料单元，所述深度处理加料单元与所述反应空间相连且靠近所述空气阴极设置，用于向所述反应空间内供给过氧化氢耦合处理剂。由此，可以进一步提高该污水处理系统处理污水的效果。
附图说明
图1显示了根据本发明一个实施例的空气阴极的结构示意图；
图2显示了根据本发明另一个实施例的空气阴极的结构示意图；
图3显示了根据本发明一个实施例的微生物燃料电池的结构示意图；
图4显示了根据本发明另一个实施例的微生物燃料电池的部分结构示意图；
图5显示了根据本发明一些实施例的空气阴极的过氧化氢浓度测试结果；
图6显示了根据本发明一些实施例的空气阴极的过氧化氢浓度测试结果；
图7显示了根据本发明实施例的空气阴极在微生物燃料电池体系下过氧化氢浓度测试结果；
图8显示了根据本发明一些实施例的微生物燃料电池体系的功率密度曲线以及极化曲线；
图9显示了根据本发明实施例的微生物燃料电池体系的电极电势曲线；
图10-图12显示了根据本发明实施例以及对比例的催化剂的X射线光电子能谱测试结果；
图13显示了根据本发明实施例以及对比例的催化剂的原子含量图；
图14显示了根据本发明实施例以及对比例的催化剂的扫描电子显微镜测试图。
附图标记：
10：扩散层；20：集电层；30：催化剂层；40：支撑层；100：空气阴极；200：阳极；300：阴极；400：产电微生物；500：附加电源；600：深度处理加料单元。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了碳黑、石墨烯以及氧掺杂石墨烯在制备催化剂中的用途，所述催化剂用于电催化产过氧化氢。由此，能够提高电化学催化产过氧化氢的性能，降低过氧化氢制备成本，实现绿色化工过程制备过氧化氢。
发明人经过深入研究以及大量实验发现，上述材料具有较好的催化产过氧化氢还原反应的性能。具体地，上述材料可以在不高于-0.4V的电位下，实现过氧化氢的生成，且在一般常用的电化学体系中，均可以保持较好的催化性能。需要说明的是，在本发明中，“不高于-0.4V的电位”特指对饱和甘汞电极而言，根据本发明实施例的催化剂，过氧化氢生成电位不高于-0.4V。并且，在本申请中，“不高于-0.4V”是指针对电极电位的绝对值而言的，也即是说，根据本发明实施例的催化剂的过氧化氢生成电位在-0.4V～0V之间。本领域技术人员能够理解的是，对于电极电位而言，正、负仅表明电势的方向，而非能量的高低。对于还原反应而言，在-0.2V的电极电位下发生的反应，其所需要的能量要低于在-0.4V下发生的反应。也即是说，根据本发明实施例的催化剂，可以利用较低的能量，实现过氧化氢的生产。
具体地，碳黑、石墨烯以及氧掺杂石墨烯可以在中性电解质(如硫酸钠溶液)以及具有一定生物兼容性的缓冲溶液(如磷酸盐缓冲液)中，均具有较好的催化产过氧化氢性能。由此，利用上述材料制备的电催化产过氧化氢催化剂，可以适用于不同的电化学应用场景。利用上述碳基材料(碳黑、石墨烯以及氧掺杂石墨烯)制备的催化剂，在用于电催化产过氧化氢时，具有较为理想的过氧化氢产量。
发明人经过大量实验发现，对于碳黑而言，不进行杂原子(除碳原子以外的原子)掺杂处理，可以获得较好的催化性能。根据本发明的实施例，石墨烯中的氧元素的含量可以为2％-4％。发明人意外地发现，采用石墨烯为催化剂时，无需严格控制石墨烯的氧含量，即可获得较为可观的催化效果。由此，有利于进一步降低根据本发明实施例的催化剂的生产成本。发明人经过深入研究发现，为了进一步提高石墨烯的催化性能，对石墨烯进行一定量的氧掺杂，可以进一步提高其电催化产过氧化氢的性能。具体地，根据本发明的实施例，氧掺杂石墨烯中，氧的掺杂量可以为5-8％。发明人经过大量实验发现，当氧掺杂石墨烯的含氧量在上述范围内时，能够保证具有较好的催化效果。与氧化石墨(氧元素含量大于30％)相比，氧掺杂石墨烯的含氧量较低，且石墨烯主体结构(蜂窝状的共轭平面结构)缺陷较少，能够保证具有较好的导电性能。由此，当该氧掺杂石墨烯用于电化学反应产过氧化氢时，可以保证涂覆该催化剂的电极的电学性能不受影响，进而可以保证过氧化氢的产量。并且，发明人发现，与研究比较广泛的氮掺杂石墨烯相比，氧掺杂石墨烯对于电催化产过氧化氢过程的催化性能要更加优越。
根据本发明的具体实施例，氧掺杂石墨烯可以是通过以下步骤制备获得的：将石墨烯粉末加入至浓硫酸中，石墨烯粉末以及浓硫酸的用量为98％浓硫酸3.5～4.5mg/mL。混合物反应四小时后，在一小时内向反应体系中逐渐加入10％的稀硫酸，加入的稀硫酸为浓硫酸以及石墨烯粉末混合物体积的80～120％。随后在两小时内逐渐加入混合物体积125～175％的去离子水，最后加入混合物体积1～3mL的过氧化氢终止反应，完成氧化过程。反应的全过程中整个体系置于冰浴之中，并且不断进行搅拌。之后在55-65摄氏度下烘干10-15小时，获得掺氧石墨烯。
总的来说，将碳黑、石墨烯以及氧掺杂石墨烯用于制备用于电催化产过氧化氢的催化剂，可以获得较好的催化效果，具有还原电位低、导电性能好、过氧化氢产量较高，无需引入贵金属元素、成本低廉等优点的至少之一。并且，上述碳基材料(碳黑、石墨烯以及氧掺杂石墨烯)自身即具有较大的比表面积，无需额外处理既可以获得较大的反应活性面积，从而有利于进一步提高催化剂的催化效果。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种空气阴极。根据本发明的实施例，参考图1，该空气阴极100包括：扩散层10、集电层20以及催化剂层30。根据本发明的实施例，扩散层10用于促进氧气的传输以及防止液态水从空气阴极中溢出，集电层20以及催化剂层30设置在扩散层的同侧，催化剂层30含有如前所述的催化剂。由此，该空气阴极具有以下优点的至少之一：通过简单的成型处理即可实现制备，无需复杂的揉压工艺；导电性能优良；不涉及贵金属元素，成本低廉。
根据本发明的实施例，该空气阴极100的扩散层20位于该空气阴极100的外侧，与空气相接触，以便将空气中的氧气传递到空气阴极中。根据本发明的实施例，扩散层可以包括碳黑，具体地，可以通过将碳黑以及粘结剂(如聚四氟乙烯)混合，并加入去离子水以及乙醇中配置成粘稠状混合物，经过成型处理而获得。碳黑以及粘结剂(如聚四氟乙烯)的可以按照质量比为3：10进行混合。采用碳黑为扩散层的原料，可以使得扩散层具有导电和催化双重作用。由此，可以使得扩散层和催化层构成双重催化，从而可以进一步提高该空气阴极的性能。
催化剂层10可以催化两电子过程的还原反应，生成过氧化氢。需要说明的是，在本发明中，“外”特指该空气阴极100在构成电池后，朝向外界环境并可以与空气相接触的一侧；“内”特征该空气阴极100与电解液向接触的一侧。
根据本发明的实施例，催化剂层30包括前面描述的催化剂，也即是说，催化剂层30可以包括碳黑、石墨烯以及氧掺杂石墨烯的至少之一。如前所述，含有上述碳基材料的催化剂，具有优良的电催化产过氧化氢性能，因此，该空气阴极100也可以在较低的还原电位下，实现高效的还原反应产过氧化氢。根据本发明的实施例，可以通过将前面描述的催化剂，与粘结剂(如聚四氟乙烯)混合，并加入乙醇以及去离子水形成混合物，再通过成型处理，即可获得根据本发明实施例的催化剂层30。
根据本发明的实施例，参考图2，该空气阴极100还可以进一步具有支撑层40。根据本发明的实施例，支撑层40可以由不锈钢或金属钛形成的，例如，支撑层40可以为50目的不锈钢网，或是钛网。由此，可以由上述具有较强机械强度的结构，构成根据本发明实施例的支撑层40，从而可以为该空气阴极提供较为良好的支撑。并且，由上述材料构成的支撑层40也具有较好的导电性，因此不会对该空气阴极100的电学性能造成影响。
根据本发明的实施例，集电层20也可以由不锈钢或金属钛形成的，例如，可以采用不锈钢网，分别形成集电层20以及支撑层40。由此，在该空气阴极100与外电路进行连接时，可以简便地通过集电层20实现电路的连接。需要说明的是，在本发明中，扩散层10、集电层20、催化剂层30以及支撑层40的具体相对位置不受特别限制，只要能够使上述各层发挥各自的功能，并能够实现该空气阴极的电极功能即可。也即是说，根据本发明的实施例的空气阴极还可以具有以下结构：扩散层10设置在外侧与空气相接触(图中未示出)，催化剂层30形成在扩散层10远离空气的一侧，集电层20形成在催化剂层30远离扩散层10的一侧。本领域技术人员可以根据实际需求，选择适当的结构构成根据本发明实施例的空气阴极。
根据本发明的实施例，由于该空气阴极100的扩散层10以及催化剂层30的材料具有适当的机械强度，且具有适当的粒度以及占空比，因此，根据本发明实施例的空气阴极，无需采用复杂的揉压成型技术进行成型处理，仅需将构成扩散层10以及催化剂层30的材料通过直压成型处理，即可获得根据本发明实施例的空气阴极100。
综上所述，根据本发明实施例的空气阴极具有下特征以及优点的至少之一：
1)结构简单，无需采用复杂的揉压成型处理即可成型。
2)采用具有较好电催化产过氧化氢的催化剂材料构成催化剂层，可利用空气阴极实现电催化产过氧化氢。
3)该空气阴极产过氧化氢的还原电位较低，可在不高于-0.4V的还原电位下实现过氧化氢的生成，节省利用该空气阴极产过氧化氢时消耗的电能。
4)该空气阴极不涉及贵金属元素，成本低廉。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备空气阴极的方法。该空气阴极可以为前面描述的空气阴极。根据本发明的实施例，该方法包括：
(1)设置扩散层
根据本发明的实施例，在该步骤中，将前面描述的扩散层材料，设置到诸如不锈钢网等形成的集电层上，以便获得扩散层。
具体地，在集电层的一侧，通过包括但不限于滚压成型处理、直压成型处理，设置扩散层。关于扩散层的组成，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。
(2)设置催化剂层
根据本发明的实施例，在该步骤中，将前面描述的催化剂设置到形成有扩散层的集电层上，以便获得催化剂层。其中，催化剂层以及扩散层可以分别设置在集电层的两侧，由此，可以获得根据本发明实施例的空气阴极。
根据本发明的实施例，催化剂层可以含有碳黑、石墨烯以及氧掺杂石墨烯的至少之一形成的催化剂。上述催化剂在电催化制备过氧化氢时的特征以及优点，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。
根据本发明的具体实施例，催化剂层可以是通过以下步骤设置的：称取一定量如前所述的催化剂，加入60wt％的粘结剂(如聚四氟乙烯，PTFE)与去离子水的混合液中，控制催化剂以及粘结剂的质量比为3:10，并加入乙醇，超声混合。将混合物放入烧杯中搅拌，直至形成粘稠状混合物。随后，将粘稠状混合物通过多次滚压，或直压成型处理，形成在不锈钢网(集电层)上。
根据本发明的实施例，在该方法中，还可以进一步包括设置支撑层。具体地，支撑层可以是由不锈钢网或钛网形成的。
根据本发明的具体实施例，当该空气阴极中包括支撑层时，可以首先按照前面描述的步骤，在集电层的一侧通过成型处理设置催化剂层。随后，按照前面描述的成型处理，在支撑层的一侧，形成扩散层。随后，将催化剂层与支撑层接触，通过压制成型处理，即可将具有催化剂层的集电层，以及具有扩散层的支撑层粘合在一起，从而获得具有支撑层的空气阴极。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种污水处理系统。根据本发明的实施例，参考图3，该污水处理系统包括：壳体300、阳极200、阴极100以及产电微生物400。具体地，壳体300中限定出反应空间，阳极200以及阴极100设置在反应空间中，并且产电微生物400附着在阳极200的外表面。阴极100为前面描述的根据本发明实施例的空气阴极，并且阴极100设置在反应空间内，与阳极200电连接。本领域技术人员能够理解的是，壳体300上靠近空气阴极100处，可设置有用于空气与空气阴极100的扩散层接触的通孔(图中未示出)。由此，可以通过产电微生物400将介质中的有机物氧化分解，并产生电子以及质子，阴极100接受电子，催化氧化还原反应并生成过氧化氢。该污水处理系统可以在分解污水的同时产生电能，并利用该电能实现催化过氧化氢的制备。生产的过氧化氢可以用于原位的污水深度处理。由此，该污水处理系统具有污水处理效果好、耗能低、成本低廉等优点的至少之一。
根据本发明的实施例，阳极200可以为碳刷、碳布、碳纤维布以及颗粒活性炭的至少之一形成的。上述材料形成的阳极200具有良好的导电性、较大的比较面积以及较好的生物兼容性。具体地，阳极200可以为将碳布或者碳刷剪裁成适当大小，并在马弗炉中450摄氏度下热处理30分钟获得。由此，可以简便地获得阳极200，进而降低该污水处理系统的生产成本。
根据本发明的实施例，参考图4，该污水处理装置还可以进一步包括一下结构的至少之一：附加电源500以及深度处理加料单元600。具体地，为了进一步提高阴极100电催化产过氧化氢的量，还可以单独设置附加单元500对阴极100供电，以便提高过氧化氢的产量。如前所述，过氧化氢可以用于污水的深度处理，因此，提高过氧化氢的产量，可以进一步提高该污水处理装置处理污水的效果。
根据本发明的实施例，为了进一步提高深度处理的效率以及效果，还可以在靠近阴极100处，设置深度处理加料单元600。深度处理加料单元600与反应空间相连，用于向所述反应空间内供给过氧化氢耦合处理剂。根据本发明的实施例，氧化氢耦合处理剂的具体种类不受特别限制，只要能够耦合阴极100产生的过氧化氢，对污水进行深度处理即可。例如，氧化氢耦合处理剂可以包括臭氧，或是含有铁或亚铁离子的试剂。由此，可以进一步提高该污水处理系统处理污水的效率以及效果。
此外，本领域技术人员能够理解，在不付出创造性劳动的前提下，对根据本发明实施例的污水处理系统进行的改进也属于本发明的保护范围。例如，根据本发明的一个实施例，阳极200以及阴极100可以互相垂直设置；根据本发明的另一个实施例，在阴极100以及阳极200之间，还可以进一步具有分隔材料。由此，本领域技术人员可以根据实际情况，对根据本发明实施例的污水处理系统做出相应调整。
由于该污水处理系统采用了前面描述的空气阴极作为阴极，因此该污水处理系统具有前面描述的空气阴极的全部特征以及优点，在此不再赘述。
下面通过具体实施例对本发明进行说明，需要说明的是，下面的具体实施例仅仅是用于说明的目的，而不以任何方式限制本发明的范围，另外，如无特殊说明，则未具体记载条件或者步骤的方法均为常规方法，所采用的试剂和材料均可从商业途径获得。X射线光电子能谱(XPS)采用Thermo ESCALAB 250 spectrometer获得。
实施例1 制备掺氧石墨烯催化剂
将100mg石墨烯粉末加入25mL浓硫酸中，反应四小时后，在一小时内向反应体系中逐渐加入25mL 10％的稀硫酸，随后在两小时内逐渐加入75mL去离子水，最后加入2mL过氧化氢终止反应，完成氧化过程。反应的全过程中整个体系置于冰浴之中，并且不断进行搅拌。之后在60℃下烘干12小时，获得掺氧石墨烯。利用XPS对获得的掺氧石墨烯的成分进行测试，扫描谱图和O1s分峰结果如图10所示。
实施例2 制备空气阴极
首先制备扩散层。扩散层上碳黑与PTFE的质量比控制在3:10，即碳黑的负载量约为13mg/cm2，而PTFE的负载量约为44mg/cm2，按照11.34cm2的大小称取碳黑与PTFE，加入适量乙醇，增加混合物粘性。在水浴中超声混合1min左右形成粘稠状物质。粘稠状物质经过在平板上滚压2-3次，随后将其直压在不锈钢网或钛网上，在4.5MPa的条件下压制10min。将压制过的扩散层放入马弗炉中，在340℃热处理20min使其固化成型。
其次制备催化剂层。称取300mg碳黑形成的催化剂，加入50μL 60％的PTFE与450μL的去离子水，并加入300μL乙醇，超声混合1min。将混合物放入烧杯中搅拌0.5min直至成粘稠状。与扩散层相似，将混合物反复滚压并最终滚压在支撑材料不锈钢网上，最终得到的催化剂层的碳黑负载量为18.8mg/cm2。
最后，将得到的扩散层与催化层在4.5MPa的压力下压制在一起并保压20min，在80℃的马弗炉内干燥30min。各层相对位置如图2所示。
实施例3 制备空气阴极
参考实施例2，不同之处在于，采用石墨烯为催化剂，催化剂的负载量为17.6mg/cm2。其中，石墨烯的XPS谱图和O1s分峰结果如图11所示。
实施例4 制备空气阴极
参考实施例2，不同之处在于，采用氧掺杂石墨烯为催化剂，催化剂的负载量为17.6mg/cm2。
实施例5
参考实施例2，不同之处在于，不设置支撑层，直接将催化剂层设置在集电层上。各层相对位置如图1所示。
对比例1
参考实施例2，不同之处在于，采用活性炭为催化剂。
对比例2
参考实施例2，不同之处在于，采用铂碳为催化剂。
对比例3
参考实施例2，不同之处在于，采用氧化石墨烯(GO)为催化剂。GO的XPS谱图和O1s分峰结果如图12所示。
根据图10-图12计算实施例1、实施例3以及对比例3中制备的催化剂(氧掺杂石墨烯、石墨烯以及氧化石墨)的氧含量进行比较：参考图13，石墨烯氧原子含量为3.6％，氧掺杂石墨烯氧原子含量为5.7％。而氧化石墨的氧含量为34.5％。
参考图14可知，石墨烯(如图14中的(a))具有较为平整的平面结构，氧掺杂石墨(如图14中的(b))与石墨烯类似，片层的直径均在15-30微米之间。而氧化石墨(如图14中的(c))，不仅片层尺寸较小(约5-15微米)，且其片层十分不平整，存在较多的褶皱以及缺陷。并且，由于片层尺寸小，氧化石墨中边缘占比较大。而上述边缘、褶皱以及缺陷，均会对其导电性能以及催化性能造成影响。
电化学测试：
(1)双室型反应器
搭建双室型反应器，阳极室尺寸为4cm×5cm×5cm，阴极室尺寸为1cm×5cm×5cm，采用铂网作为对电极(阳极)，饱和甘汞电极作为参比电极，阳离子交换膜作为分隔材料。阳极液采用50mM磷酸盐缓冲液，阴极液采用50mM的硫酸钠溶液，控制阴极电势为-0.4V(vs.SCE)条件下运行15，30，60min，分别测定采用前面描述的实施例以及对比例的空气阴极为阴极，阴极液的过氧化氢含量。反应时间以及过氧化氢含量如图5中的(a)所示。对比可知，实施例2(碳黑)、实施例3(纯石墨烯)以及实施例4(掺氧石墨烯)的过氧化氢产量(阴极过氧化氢浓度)，显著高于对比例1以及对比例2。采用实施例5制备的空气阴极(单层不锈钢网)进行上述测试，参考图6中的(b)，实施例2(双层不锈钢网)以及实施例5均具有较好的过氧化氢产量。
采用前面描述的双室型反应器，阴极液采用磷酸盐缓冲液以及50mM的硫酸钠溶液，实施例4(掺氧石墨烯)中的空气阴极为阴极，控制阴极电势为-0.4V(vs.SCE)条件下运行15，30，60min，反应时间以及过氧化氢含量如图6中的(a)所示。测试结果显示，实施例4的空气阴极，在不同龄的阴极液中，均具有较好的过氧化氢产量。
(2)构建微生物燃料电池
构建微生物燃料电池，测定采用前面描述的实施例以及对比例的空气阴极的过氧化氢产量。
制备阳极：碳刷在使用之前在马弗炉中450℃下热处理30min。将上述阳极装入如电化学系统测试的反应器中作为阳极(代替铂网电极)，接种连续运行1年以上的生物电化学系统出水(含产电菌)，连接外电路，测试双室型微生物燃料电池反应器阴极液的过氧化氢浓度。采用的阳极电解质为中性的磷酸盐缓冲液，其中含有1g L-1的乙酸钠作为底物，12.5mL L–1的矿物质和5mL L–1的维生素补充营养物质；阴极液为50mM的硫酸钠溶液。
运行一段时间，并检测阴极过氧化氢产量，结果如图5中的(b)所示。对比可知，实施例2-4的过氧化氢产量，显著高于对比例1以及对比例2。
在不同电流密度下，测试实施例2的空气阴极为微生物染料电池阴极时，过氧化氢的产量。测试结果如图7所示。电流密度提高时，过氧化氢浓度(即阴极过氧化氢产量)也随之提高。
基于上述实施例2-4的空气阴极构成的微生物燃料电池的测试结果，绘制电化学功率密度曲线(如图8中的(a)所示)以及极化曲线(如图8中的(b)所示)。基于上述实施例2-4的微生物燃料电池均获得了较好的功率密度，说明上述微生物燃料电池在能够制备足量过氧化氢的同时，还具有较好的产电性能。
实施例2-4以及对比例1和对比例2构成的微生物燃料电池的电极电势曲线如图9所示。在MFC系统中，石墨烯、掺氧石墨烯和炭黑阴极的阴极电势均高于阳极电势，说明该反应不需要外加能量即可以自发发生，并可以向外产出电能(阳极采用碳刷制备，电极电势图中未示出)。参考图9，石墨烯、掺氧石墨烯和炭黑阴极用于MFC系统中，其阴极电势在不同的电流密度下，均可以保持在-0.4V以下。可以同时实现污水处理、产电和产过氧化氢。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.碳黑、石墨烯以及氧掺杂石墨烯在制备催化剂中的用途，所述催化剂用于电催化产过氧化氢。
2.一种空气阴极，其特征在于，包括：
扩散层；
催化剂层，所述催化剂层含有如权利要求1所述的催化剂，所述催化剂层设置在所述扩散层的一侧；以及
集电层，所述集电层以及所述催化剂层设置在所述扩散层的同侧。
3.根据权利要求2所述的空气阴极，其特征在于，进一步包括：
支撑层，所述支撑层设置在所述扩散层以及所述催化剂层之间，所述集电层设置在所述催化剂层远离所述支撑层的一侧，
所述支撑层是由不锈钢或金属钛形成的。
4.根据权利要求2所述的空气阴极，其特征在于，所述扩散层包括碳黑。
5.根据权利要求2所述的空气阴极，其特征在于，所述空气阴极产过氧化氢的阴极电势不高于-0.4V。
6.一种制备权利要求2-5任一项所述的空气阴极的方法，其特征在于，包括：
(1)在集电层的一侧设置扩散层；以及
(2)在所述集电层远离所述扩散层的一侧设置催化剂层，
其中，所述扩散层以及所述催化剂层是分别独立地通过成型处理，设置在所述集电层上的。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，包括：
在所述集电层的一侧，通过所述成型处理设置所述催化剂层；
在支撑层的一侧，通过所述成型处理设置所述扩散层；以及
将设置有所述催化剂层的所述集电层以及设置有所述扩散层的所述支撑层进行加成型处理，其中，所述催化剂层以及所述支撑层相邻设置。
8.一种污水处理系统，其特征在于，包括：
壳体，所述壳体中限定出反应空间；
阳极，所述阳极设置在所述反应空间中，所述阳极附着有产电微生物；以及
权利要求2-5任一项所述的空气阴极，所述空气阴极设置在所述反应空间中，并且所述空气阴极与所述阳极电连接。
9.根据权利要求8所述的污水处理系统，其特征在于，进一步包括：
附加电源，所述附加电源与所述空气阴极相连。
10.根据权利要求8所述的污水处理系统，其特征在于，进一步包括：
深度处理加料单元，所述深度处理加料单元与所述反应空间相连且靠近所述空气阴极设置，用于向所述反应空间内供给过氧化氢耦合处理剂。
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