CN109898095A - 一种电极与隔膜零间距的电化学制备过氧化氢装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电极与隔膜零间距的电化学制备过氧化氢装置及其使用方法。该装置含有阳极腔和阴极腔，其中阳极和阴极用阳离子交换膜隔开。阳极、阴极均采用与氢燃料电池类似的气体扩散电极，阳极的气体扩散电极一侧表面含有铂或铂钌合金催化剂，且该侧直接与阳离子交换膜贴合。阴极的气体扩散电极一侧表面含有碳粉催化剂，且该侧直接与阳离子交换膜贴合。阴极的另一侧与具有一定厚度的刻有气体流场的具有一定孔隙率的导电亲水多孔介质相连。该装置反应气的传质速率高，且传质效果稳定，反应器的性能高。其使用方法为：氢气通入阳极，氧气或者空气通入阴极；阳极与阴极之间接入外部电源，阴极电还原生成的过氧化氢被亲水多孔介质吸收并转移。
Description
技术领域
本发明涉及过氧化氢制备，具体是电极与隔膜零间距的电化学制备过氧化氢装置及其使用方法。
背景技术
过氧化氢是有效的氧化剂，在工业过程中被广泛使用。作为消毒剂，它还被用于纸浆和纸漂白、清洁剂、废水处理、化学合成、纺织工业等。大规模制备的过氧化氢主要采用蒽醌法，这是一种先将氢气还原，随后用氧气氧化的化学方法。作为替代的技术，电解器型方法和燃料电池方法也在有些场合用来制备过氧化氢。这两种方法需要较高的能耗或氢气消耗，而且由于过氧化氢在制备过程中的会被分解成水，或者进一步得到电子变成氢氧根离子，导致过氧化氢的电流效率很低。同时，目前报道的基于酸性溶液或碱性溶液的电化学制备方法，由于液体在电极表面的吸附和阻碍，使得反应气难以进入到催化剂表面，因此反应速率特别低。
专利CN101748423A公开了一种原位生成过氧化氢的电化学反应器，它通过在气体扩散电极与隔膜之间充入液体，使电化学反应生成的过氧化氢在液体腔中累积。该装置存在以下不足：一是电极与阳离子交换膜之间设置了液体腔，因此其内阻较大，且内阻受液体腔中溶液的电导率影响，其波动较大，不利于控制；二是气体扩散电极为多孔电极，液体腔中的液体会填充进入气体扩散电极的孔隙中，使反应气进入电极中催化剂表面的传质阻力增大；此外随着阴阳极腔体中的电解质被消耗，液体腔中的电解质还需要更换，以保持其电导率。专利91102474.3公开了一种改进的电化学制备过氧化氢的方法，通过添加卤素促进了氧的电化学还原，从而提高了过氧化氢的浓度。该方法也是基于溶液浸泡电极，并在液体相中进行氧还原，氧气的传质慢。专利CN1399009A公开了一种强氧化剂的制备工艺，它也是在水溶液电解系统中阴极氧还原得到强氧化剂。
本发明提供了一种电极与隔膜零间距的电化学制备过氧化氢装置及其使用方法，通过在电极表面增加亲水多孔介质，将电池生成的过氧化氢通过毛细力直接吸收、储存或转移，同时在介质与扩散层接触面上预先制备气体流场，使气体传质速率大幅提高，大幅提高电化学氧还原制备过氧化氢的速率。
发明内容
本发明的发明内容如下：
一种电极与隔膜零间距的电化学制备过氧化氢装置，包括由阳离子交换膜隔开的阳极和阴极，阳离子交换膜的一侧设有与其一侧表面相通的阳极腔，阳极置于阳极腔内；
阳极、阴极均采用带催化剂层的氢燃料电池用气体扩散电极；
阳极、阴极分别贴合于阳离子交换膜的二侧表面，阳极和阴极带催化剂层的一侧表面分别面向阳离子交换膜；阴极远离阳离子交换膜的一侧表面贴合有导电亲水多孔介质，于靠近阴极的导电亲水多孔介质表面设有气体流场。
阳极催化剂层采用的氢氧化催化剂为以铂或铂钌合金为活性成份的含有铂或铂钌合金催化剂；阴极催化剂层采用的氧还原催化剂为碳粉催化剂。
阴极采用憎水的气体扩散电极，阴极的气体扩散层表面憎水，且与导电亲水多孔介质相连，且二者之间具有气体流通通道。
所述阴极包括层叠的催化剂层和气体扩散层，所述阴极气体扩散层表面憎水通过在气体扩散层中加入气体扩散层2％-70％重量的PTFE实现。
所述导电亲水多孔介质为亲水多孔网，其材质为碳、镍、钛中的一种。
所述导电亲水多孔介质的亲水性通过往多孔介质表面及孔道表面中加入亲水物质层实现，亲水物质为钛氧化物、硅氧化物、聚醚砜、聚乙烯醇中的一种或二种以上；其加入量为导电亲水多孔介质重量的0.1-20％；
所述多孔介质的孔隙率为5％-96.8％，孔径尺寸为2μm-8mm。
多孔介质为平板状，多孔介质的厚度为0.1mm-0.1m。
使用过程为：向阳极腔中通入氢气，阴极的导电亲水多孔介质的气体流场中通入氧气和/或者空气；阳极与阴极之间接入外部电源，阳极与电源的正极相连，阴极与电源的负极相连，阳极和阴极间的电压不超过1.48V；阴极电还原生成的过氧化氢被亲水多孔介质吸收并转移
本发明介绍的装置无需使用碱性或酸性液体，对电极材料的抗腐蚀性要求低，且避免了碱液/酸液浸泡电极带来的电极性能衰减及反应气传质困难等问题，大幅提高氧还原制备过氧化氢的效率；还具有结构简单、容易维护、运行稳定、使用寿命长等优点。
附图说明
图1为双氧水从电极表面渗透进入多孔介质并进行传输的过程示意。
图2为双氧水发生器结构示意图。
图3为装置电合成双氧水的电流-电压曲线。
具体实施方式
实施例1、过氧化氢发生器的阳极用担载有Pt/C催化剂的气体扩散电极，隔膜采用萘酚膜N212，阴极采用担载有XC-72R碳粉催化剂的气体扩散电极，该电极中的PTFE含量为5％。与阴极相连的是厚度为2mm的泡沫镍，其孔隙率为30％，平均孔径为0.5mm，孔中含有聚乙烯醇作为亲水剂。该泡沫镍与电极连接的一侧刻有深度为0.4mm的直条型气体流场。
实施例2、过氧化氢发生器的阳极用担载有PtRu/C催化剂的气体扩散电极，隔膜采用萘酚膜N115，阴极采用担载有BP-2000碳粉催化剂的气体扩散电极，该电极中的PTFE含量为60％。与阴极相连的是厚度为1cm的多孔石墨板，其孔隙率为60％，平均孔径为0.2mm，孔中含有二氧化硅作为亲水剂。该多孔石墨板与电极连接的一侧有深度为1mm的蛇形气体流场。将该电池的阳极通入氢气，阴极通入氧气。阳极接外电源的正极，阴极接外电源的负极，外部电源电压设为0.7V。电池运行时的电流-时间曲线见图3。亲水多孔介质的毛细力将生成的过氧化氢直接吸附并储存或转移。
该装置无需使用碱性或酸性液体，对电极材料的抗腐蚀性要求低，且避免了碱液/酸液浸泡电极带来的电极性能衰减及反应气传质困难等问题，大幅提高氧还原制备过氧化氢的效率；还具有结构简单、容易维护、运行稳定、使用寿命长等优点。
Claims (9)
1.一种电极与隔膜零间距的电化学制备过氧化氢装置，包括由阳离子交换膜隔开的阳极和阴极，阳离子交换膜的一侧设有与其一侧表面相通的阳极腔，阳极置于阳极腔内；
阳极、阴极均采用与带催化剂层的氢燃料电池用气体扩散电极；
阳极、阴极分别贴合于阳离子交换膜的二侧表面，阳极和阴极带催化剂层的一侧表面分别面向阳离子交换膜；阴极远离阳离子交换膜的一侧表面贴合有导电亲水多孔介质，于靠近阴极的导电亲水多孔介质表面设有气体流场。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：阳极催化剂层采用的氢氧化催化剂为以铂或铂钌合金为活性成份的含有铂或铂钌合金催化剂；阴极催化剂层采用的氧还原催化剂为碳粉催化剂。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：阴极采用憎水的气体扩散电极，阴极的气体扩散层表面憎水，且与导电亲水多孔介质相连，且二者之间具有气体流通通道。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述阴极包括层叠的催化剂层和气体扩散层，所述阴极气体扩散层表面憎水通过在气体扩散层中加入气体扩散层2％-70％重量的PTFE实现。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述导电亲水多孔介质为亲水多孔网，其材质为碳、镍、钛中的一种。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述导电亲水多孔介质的亲水性通过往多孔介质表面及孔道表面中加入亲水物质层实现，亲水物质为钛氧化物、硅氧化物、聚醚砜、聚乙烯醇中的一种或二种以上；其加入量为导电亲水多孔介质重量的0.1-20％。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述多孔介质的孔隙率为5％-96.8％，孔径尺寸为2μm-8mm。
8.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于：多孔介质为平板状，多孔介质的厚度为0.1mm-0.1m。
9.一种权利要求1-8任一所述装置的使用方法，其特征在于：
使用过程为：向阳极腔中通入氢气，阴极的导电亲水多孔介质的气体流场中通入氧气和/或者空气；阳极与阴极之间接入外部电源，阳极与电源的正极相连，阴极与电源的负极相连，阳极和阴极间的电压不超过1.48V；阴极电还原生成的过氧化氢被亲水多孔介质吸收并转移。
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