CN109913889B - 空气主动扩散式过氧化氢电化学发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种空气主动扩散式过氧化氢电化学发生装置，具有高效节能的特点。该装置结构简单，电极材料低廉，其主要特点是三相超疏水阴极一侧与空气相连，另一侧与电解质溶液接触，空气可以主动扩散至三相反应界面，能在不外加曝气设备的条件下实现氧气的高效传质。与传统装置相比，新型过氧化氢发生装置省去了鼓气设备，电耗可降低65％以上，并且能在较宽电流密度范围内实现高效制备过氧化氢。

Description

空气主动扩散式过氧化氢电化学发生装置

技术领域

本发明涉及环境、能源领域，具体地，本发明涉及新型空气主动扩散式过 氧化氢发生装置的构建和三相超疏水阴极的制备方法。

背景技术

过氧化氢由于需求量巨大而成为世界上最重要的100种化学品之一。过氧 化氢不仅是一种绿色的强氧化剂，也是潜在的能源载体，在化工、能源和环保 等行业都得到了广泛应用，因此，高效低耗的过氧化氢生产方式至关重要。目 前制备过氧化氢的主要方法是蒽醌氧化法，然而这种方法具有步骤复杂、成本 高、污染严重等诸多缺点，且过氧化氢需运输和存储等都会增加过程的费用和 操作风险。

通过氧气阴极还原的电催化原位产过氧化氢技术作为一种绿色清洁的代替 方法受到关注。但在目前的电催化系统中，氧还原反应受制于较低的氧气传质 效率和氧转化效率，过氧化氢产量普遍偏低。同时，绝大部分过氧化氢发生装 置需要外加空气压缩设备提供额外的氧气，不仅增加了装置的复杂性，而且大 幅提升了运行成本，造成了能源浪费。目前的气体扩散电极(GDE)制备成本高， 氧气扩散系数较小，氧气转化率低下(低于1％)，同时高电流密度条件下的过氧 化氢产率低(80mA/cm²时，产率已经明显下降，2h后仅达到了32.51mg/cm²， 为本发明装置产率的50％)。

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：

碳黑是一种催化效率高且价格低廉的用于电催化产过氧化氢的催化剂；当 电流足够时，氧气传质效率成为阴极氧还原反应的制约因素。通过改进电催化 系统的阴极并构建新的阴极放置方式，可以提高氧气传质效率和氧气转化效率， 从而促进高效低耗产过氧化氢。

为此，本发明的一个方面在于提出一种用于电催化产过氧化氢的三相超疏 水阴极。利用气-液-固三相界面可以有效提高氧气传质效率，其气体扩散系数 是液相传质的数万倍；并且经过PTFE浸渍、煅烧后的碳毡在保持高孔隙率的同 时，增强了自身强度，可以作为扩散层和支撑层使用，扩散层的氧气扩散系数 是普通GDE的100倍以上；碳黑作为一种2电子氧还原催化剂和PTFE混合改性 作为催化层，可以形成超疏水三相界面，促进过氧化氢的产生。

根据本发明的实施例，该三相超疏水阴极仅包括扩散层和催化层，所述扩散 层的孔隙率大于90％，可以为氧气主动扩散提供条件；所述催化层包含碳黑，可 以提高该电极的产过氧化氢性能。

本发明的另一方面，提出了一种空气主动扩散式过氧化氢发生装置。根据 本发明的实施例，该装置构建了一种新的电极放置方式，从而得以去除传统的 曝气系统，包括：反应器的一侧内壁镂空，镂空处放置上述三相超疏水电极构 成密闭反应空间，电极催化层与电解质溶液接触，扩散层与空气相连；阳极， 所述阳极设置在所述反应空间中；所述阳极与所述阴极通过导线与电源相连。

本发明具有以下突出特点：

(1)三相超疏水阴极通过简单的处理即可实现制备，不涉及贵金属元素， 成本低廉；新型空气主动扩散式过氧化氢发生装置不需要外加曝气设备，运行 成本低(电耗降低了65％以上)，有利于基于电化学催化反应制备过氧化氢技术 的大规模推广应用。。

(2)新型空气主动扩散式过氧化氢发生装置氧气利用率高 (44.5％-64.9％)，适用电流密度范围广(0-240mA/cm²)，过氧化氢产生效率高 (240mA/cm²时，可达101.67mg/h/cm²)。

附图说明

图1为本发明一个实施例的空气主动扩散式过氧化氢发生装置的结构示意 图

图2为空气主动扩散式过氧化氢发生装置与常规GDE过氧化氢发生装置的 过氧化氢产率对比图

图3为空气主动扩散式过氧化氢发生装置与常规GDE过氧化氢发生装置的 电流效率对比图

图4为不同电流下空气主动扩散式过氧化氢发生装置的过氧化氢产率图

图5为催化层接触角不同时的过氧化氢产生性能图

图6为空气主动扩散式过氧化氢发生装置连续10次运行的过氧化氢产量图

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

本发明提出了一种新型空气主动扩散式过氧化氢发生装置用于电催化产过 氧化氢。根据本发明的实施例，参考图1，反应器的一侧内壁镂空，用来安装三 相超疏水阴极，该阴极负载催化层的一面与电解质溶液接触，另一面与空气连 通，供空气主动扩散；阳极与三相超疏水阴极相对放置，阴阳极通过导线与电 源相连。该三相超疏水阴极包括：扩散层和催化层。扩散层用于促进氧气的传 输以及防止液态水从空气阴极中溢出并起到支撑作用，催化层用于形成三相界 面并催化氧气产生过氧化氢。

新型空气主动扩散式过氧化氢发生装置与常规GDE过氧化氢发生装置相比， 不仅省去了曝气设备，降低了运行成本，而且提高了过氧化氢产生效率。参考 图2和图3，在pH为7，电解质为0.05M无水硫酸钠，电流密度为80mA/cm²， 没有外加空气压缩设备提供额外氧气时，新型空气主动扩散式过氧化氢发生装 置的过氧化氢产率2h后达到了68.06mg/cm²；而常规GDE过氧化氢发生装置在 同样反应条件，并外加500mL/min空气曝气时，过氧化氢产率仅达到了32.51 mg/cm²，新型空气主动扩散式过氧化氢发生装置的过氧化氢产率和电流效率比常 规GDE装置高出一倍。

参考图4，本发明提出的新型空气主动扩散式过氧化氢发生装置因为优异的 氧气传质效率，在高电流条件下仍能保持较高的过氧化氢产生效率。

参考图5，催化层接触角的改变会影响过氧化氢产生性能，当接触角为140° 时，催化层与电解质溶解之间能够形成稳定的三相界面，双氧水产量最高，性 能最佳。

本发明提出的新型空气主动扩散式过氧化氢发生装置能够长时间运行，并 保持性能稳定。参考图6，该装置运行10次(20h)后过氧化氢产量基本没有下 降，说明该装置性能稳定，有良好的实用性。

综上所述，本发明提出的新型空气主动扩散式过氧化氢发生装置能够省去 常规过氧化氢发生装置的曝气设备，更节能地产生过氧化氢，并且由于较高的 氧气传质效率，能够提升高电流密度条件下的过氧化氢产量。

Claims (2)

1.一种空气主动扩散式过氧化氢电化学发生装置，其特征在于，包括：

反应器，所述反应器的一侧内壁镂空，三相超疏水阴极设置在镂空处与所述反应器构成密闭反应空间；

三相超疏水阴极设置时负载催化层一侧为内侧，与电解质溶液接触；另一侧直接与空气相通；

阳极，所述阳极为金属氧化物电极，设置在所述反应空间中；

所述三相超疏水阴极仅包含两层结构，分别为孔隙率90%以上的碳毡扩散层和含有碳黑催化剂和PTFE的催化层；该阴极与所述阳极以导线与电源相连。

2.一种三相超疏水阴极，其特征在于，包括：

所述三相超疏水阴极仅包含两层结构，分别为孔隙率90% 以上的扩散层和含有碳黑催化剂和PTFE的催化层；扩散层，所述扩散层由碳毡得到，所述扩散层作为空气主动扩散的通道，同时作为电极支撑层；催化层，所述催化层与水滴的接触角至少为140°，催化剂负载范围为4.4-16.8 mg/cm²，并且所述催化层仅设置在所述扩散层和电解质溶液接触的一侧。

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