CN112030182A - 电化学装置、电化学分解尿素合成过氧化氢的方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化学领域，具体公开了一种电化学装置、电化学分解尿素合成过氧化氢的方法、应用，所述电化学装置包括电解反应装置与气体输送装置，电解反应装置用于在通电条件下于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解并在阴极通过输入氧气或压缩空气进行合成生成过氧化氢，气体输送装置用于输送氧气或压缩空气确保实现同步尿素分解并且合成过氧化氢；而提供的电化学分解尿素合成过氧化氢的方法以氧气或空气为原料，通过采用同步电催化反应在催化剂作用下直接将废水中的尿素分解并同时可以合成过氧化氢，降低过电位，有助于治理环境，增强了设备利用率，可以有效降低生产成本，具有极大的商业价值和应用前景。

Description

电化学装置、电化学分解尿素合成过氧化氢的方法、应用

技术领域

本发明涉及化学领域，具体是一种电化学装置、电化学分解尿素合成过氧化氢的方法、应用。

背景技术

尿素，化学式为CO(NH₂)₂，外形是无色或白色针状或棒状结晶体，尿素是目前市场上使用量最大的含氮量最高氮肥产品，同时尿素也广泛应用于医药、食品、化妆品、纺织等领域，还是制造三聚氰胺、脲醛树脂、炸药等化工产品的重要原料。如此大的尿素生产量和使用量，不可避免的会产生大量的尿素废水(含尿素废水)。随着我国工业和农业的快速发展，尿素废水所带来的环境问题日益严重，尿素废水中含有大量的氨氮，如果含尿素的废水直接排放到环境中，必然会造成环境污染，如果进去江河湖泊中会使水体富营养化，产生异味，甚至使鱼类大量死亡。

过氧化氢作为一种强氧化剂，广泛应用于工业生产制造中，例如：工业漂白、废水处理、有机化合物的合成、化学氧化(包括从丙烯氧化大规模生产丙烯氧化物)以及燃料电池等技术应用。工业上95％的过氧化氢通过蒽醌氧化产生，该方法虽然已经成熟并能高效地生产大量的双氧水，但合成过程要用到2-烷基-9，10-蒽醌作为有机溶剂，贵金属钯作为加快反应速率的催化剂，存在着成本相对较高的问题。

目前，尿素废水的主要处理方法包括：化学催化水解法，热力学水解法，脲酶水解法，化学氧化法，生物水解法等。例如，热力学水解法是我国实际应用最普遍的技术，但是其在高温高压的情况下进行，条件要求高，动力需求大，能耗高，一般的中小型企业很难承受。因此上述的技术方案在实际使用时还存在以下不足：以上多种尿素废水的处理方法在工业应用中都存在着设备投入成本大，条件要求高等问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种电化学装置，以解决上述背景技术中提出的现有尿素废水的处理方法在工业应用中存在着投入成本高的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种电化学系统，包括：

电解反应装置，用于在通电条件下于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解并在阴极通过输入氧气或压缩空气进行合成生成过氧化氢；以及

气体输送装置，所述气体输送装置的输出端与所述电解反应装置相连接，气体输送装置用于输送氧气或压缩空气确保实现同步尿素分解并且合成过氧化氢，通过电解反应装置进行分解尿素并合成过氧化氢，具体是在通电条件下于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解，电解反应装置输入氧气或压缩空气后，在阴极反应合成过氧化氢以实现同步催化过程，通过采用同步电催化反应，在通过催化剂的作用下直接将废水中的尿素分解，有助于治理环境，保护水质，同时合成过氧化氢，降低过电位，增强了设备利用率，具有极大的商业价值和应用前景，不仅可以进行含尿素废水的治理，也可以用于生产过氧化氢，相比于传统的过氧化氢生产方法，例如蒽醌氧化法等，可以有效降低生产成本。

在本发明的另一个实施例中，还提供了一种电化学分解尿素合成过氧化氢的方法，采用上述的电化学装置，所述电化学分解尿素合成过氧化氢的方法具体包括以下步骤：将电解反应装置通电后于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解，同时，在阴极通过气体输送装置输入的氧气或压缩空气进行反应合成过氧化氢。

在本发明的另一个实施例中，还提供了一种上述的电化学分解尿素并且合成过氧化氢的方法在污水处理和/或过氧化氢制备中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实施例提供的电化学装置，包括电解反应装置与气体输送装置，电解反应装置用于在通电条件下于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解并在阴极通过输入氧气或压缩空气进行合成生成过氧化氢，所述气体输送装置的输出端与所述电解反应装置相连接，用于输送氧气或压缩空气确保实现同步尿素分解并且合成过氧化氢；而提供的电化学分解尿素合成过氧化氢的方法以氧气或空气为原料，通过采用同步电催化反应，在催化剂作用下直接将废水中的尿素分解，有助于治理环境，保护水质，同时合成了过氧化氢，降低过电位，增强了设备利用率，具有极大的商业价值和应用前景，不仅可以进行含尿素废水的治理，也可以用于生产过氧化氢，相比于传统的过氧化氢生产方法，可以有效降低生产成本，同时工艺简单，装置设备模块化且要求低，反应条件简单，能就地使用，运输要求低，能更加适用与高效工业生产过程，解决了现有尿素废水的处理方法在工业应用中存在着投入成本高的问题，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的电化学装置的结构示意图。

图2为本发明一实施例提供的电化学装置的工作过程中在模拟尿液条件下的LSV曲线图(测试时间分别为0min与5min)。

图3为本发明一实施例提供的电化学装置的工作过程中在模拟尿液条件下的LSV曲线图(测试时间分别为30min与60min)。

图4为本发明一实施例提供的电化学装置的工作过程中的电流-时间曲线图。

图中：1-阳极电解液；2-阳极反应室；3-第一循环管路；4-电源；5-阴极反应室；6-第二循环管路；7-阴极电解液；8-阳极电极；9-阴极电极；10-气相室；11-线路；12-输入管道；13-流量计；14-流量调节件；15-氧气发生器。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。为了使本发明的技术方案更加清楚，本领域熟知的工艺步骤及器件结构在此省略。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。但是应当理解，这些描述只是为进一步说明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。本发明所有原材料，对其来源没有特别限制，可以通过相应企业购买或按本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。本发明所有原材料，对其纯度没有特别限制，本发明优先采取分析纯或电化学领域常规的纯度要求。本发明所有原材料，其来源和简称均属于本领域常规来源和简称，在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据简称以及相应的用途，能够从相应企业购买得到或常规方法制备得到。

本发明实施例提供一种电化学系统，所述电化学系统包括：

电解反应装置，用于在通电条件下于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解并在阴极通过输入氧气或压缩空气进行合成生成过氧化氢；以及

气体输送装置，所述气体输送装置的输出端与所述电解反应装置相连接(即所述气体输送装置的进气出口与所述电解反应装置相连接，具体的，所述相连接具体为通过装置模具组装相连通)，用于输送氧气或压缩空气确保实现同步尿素分解并且合成过氧化氢。

在本发明实施例中，通过电解反应装置进行分解尿素并合成过氧化氢，具体是在通电条件下于催化剂作用下将尿素进行分解，电解反应装置输入氧气或压缩空气后，在阴极反应合成过氧化氢以实现同步催化过程，通过采用同步电催化反应，在通过催化剂的作用下直接将废水中的尿素分解，有助于治理环境，保护水质，同时合成过氧化氢，降低过电位，增强了设备利用率，具有极大的商业价值和应用前景，不仅可以进行含尿素废水的治理，也可以用于生产过氧化氢，相比于传统的过氧化氢生产方法，例如蒽醌氧化法等，可以有效降低生产成本。

如图1所示，为本发明一个实施例提供的一种电化学装置的结构图，所述电化学装置包括：

电解反应装置，用于在通电条件下于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解并在阴极通过输入氧气或压缩空气进行合成生成过氧化氢；以及

气体输送装置，所述气体输送装置的输出端与所述电解反应装置相连接，用于输送氧气或压缩空气确保实现同步尿素分解并且合成过氧化氢；

其中，所述电解反应装置包括电极、隔膜和电解液，所述隔膜用于将电解液进行分隔形成阳极反应室2与阴极反应室5，所述电极用于在通电作用下将尿素在阳极反应室2进行分解并在阴极反应室5输入氧气或压缩空气后进行合成过氧化氢以实现同步催化过程。

在本发明实施例中，氧气通入后，经电化学反应，所述电解反应装置的阳极反应室2与阴极反应室5的阴阳极开始工作分解尿素并得到过氧化氢。与现有技术相比，本发明针对现有的尿素废水处理工艺存在耗能大，条件要求高，设备大型化以及过氧化氢合成工艺的成本高，且生产地点集中化，运输成本高且大规模不易储存等缺点，通过摈弃了传统的高成本分解尿素以及合成过氧化氢的方法，在诸多的化学反应方式中，选择了更加直接和环保的电化学反应方式，又针对现在目前的电化学催化方式中，对于同步处理尿素废水和合成过氧化氢的工艺相对较少，并且效率相对不高，设备无法一体化等缺陷，通过创造性的采用了氧气或压缩空气为原料，多种高效UOR催化剂来同步进行电催化分解尿素并合成过氧化氢，综合考虑了利用易收集气体氧气合成过氧化氢的装置和分解尿素的装置的一体化。

在本发明的一个实例中，本发明提供的电催化过程中控制因素和影响因素相对较少，易于实现过程自动化和大规模应用，而且反应所需的电极、电解液都可以循环使用，其化学反应消耗的主要是氧气，但是我们可以也采用通入空气的方式进行生产过氧化氢，空气来源相对很广泛，同时该过程需要的电能很小，很节能，表现出极具潜力的应用前景；本发明提供的电化学装置更能够直接将电能转化成化学能，效率更高，装置模块化、一体化，距离使用地点近，运输成本低，更适用于工业生产过程。

进一步的，作为本发明的一种优选实施例，所述电解反应装置包括两电极电化学反应体系或三电极电化学反应体系。

在本发明的一个实例中，当所述电解反应装置是两电极电化学反应体系时，所述电极包括位于阳极反应室2的阳极电极8与位于阴极反应室5的阴极电极9。

在本发明的又一个实例中，当所述电解反应装置是三电极电化学反应体系时，所述电极包括对电极、工作电极与参比电极。

优选的，所述电化学装置还包括电解液来源装置；所述电解液来源装置可以采用多个容器和/或泵体(例如采用流量泵来控制流速，以使电解液进入电解反应装置，具体型号根据需求进行选择，这里并不作限定)实现，阳极电极8和阴极电极9所对应的电解液来源不同(即阳极电极8对应的电解液是阳极电解液1，阴极电极9对应的电解液是阴极电解液7)，可以分别通过两个容器来盛放阳极电解液1与阴极电解液7，主要通过管道(即第一循环管路3与第二循环管路6)循环分别和阳极电极8与阴极电极9相连接。

在本发明的又一个实例中，为了更好的进行电解反应，所述电解反应装置的隔膜将电解液隔开形成阳极反应室2与阴极反应室5，所述工作电极和参比电极优选设置在阳极反应室2中，所述对电极优选设置在阴极反应室5中。在其他实施例中，也可以不采用上述常规设置，以更有利于电化学反应的进行为优选方案。

需要说明的是，本发明对所述电解反应装置的具体电化学反应体系选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的电化学反应体系即可，本领域技术人员可以根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整，本发明的电化学反应优选包括两电极电化学反应体系或三电极电化学反应体系。

进一步的，作为本发明的一种优选实施例，所述两电极电化学反应体系的电位区间为1.1V(volt，伏特)-2.2V(vs.Hg/HgO，即参比电极是汞/氧化汞电极)(未经IR校正)，当然，本发明对对所述两电极电化学反应体系的电压没有特别限制，以本领域技术人员熟知的电化学反应中常规的电压即可，本领域技术人员可以根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整，例如，本发明为保证电化学反应的进行，提高过程稳定性，所述两电极电化学反应体系的电位区间优选为1.8v-2.6v(未经IR校正)，更优选为2.0-2.9v(未经IR校正)，更优选为2.3v-3.0v(未经IR校正)。

在本发明的又一个实例中，所述三电极电化学反应体系的电位区间为0.1V-0.9V(vs.Hg/HgO)(未经IR校正)，优选为0.1V-0.85V(vs.Hg/HgO)(未经IR校正)，更优选为0.09V-0.8V(vs.Hg/HgO)(未经IR校正)，当然，这里并不是作为限定，本领域技术人员可以根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整，通常，本发明对所述三电极电化学反应体系的电压的具体选择和条件以本领域技术人员熟知的电化学反应的常规条件和选择即可，通过采用所述三电极电化学反应体系的电位区间为0.1V-0.9V(vs.Hg/HgO)(未经IR校正)，是为保证电化学反应的进行，提高过程稳定性。

需要说明的是，本发明对电化学反应的其他条件没有特别限制，可以根据本领域技术人员熟知的电化学反应中常规条件进行选择和调整，通常，本发明是在常温常压下即可反应，相比传统方式需要高温高压的条件，常温常压更有利于过程的进行。

进一步的，作为本发明的一种优选实施例，所述分解与合成时采用的催化剂包括UOR(尿素氧化反应)催化材料和/或ORR(氧还原反应)催化材料。

在本发明的一个实例中，具体的，当所述电解反应装置是两电极电化学反应体系时，所述电解反应装置包括阳极电极8、阴极电极9、隔膜和电解液，所述阳极电极8的导电介质为铂片，阳极电极8的催化剂材料包括α--Ni(OH)₂、NF-Ni₂P-Fe₂P等适用于UOR方向的材料，所述阴极电极9的导电介质为铜片，阴极电极9的催化剂材料包括CMK-3(有序介孔碳)等适用于ORR方向的材料。

在本发明的又一个实例中，当所述电解反应装置是三电极电化学反应体系时，所述电解反应装置包括对电极、工作电极、参比电极、隔膜和电解液，其中，所述对电极的材质包括铂片或铜片，所述工作电极的催化剂材料包括α-Ni(OH)₂、NF-Ni₂P-Fe₂P等适用于UOR方向的材料和/或CMK-3等适用于ORR方向的材料，所述参比电极包括银/氯化银参比电极或汞/氧化汞参比电极。

进一步的，作为本发明的一种优选实施例，所述隔膜包括阳离子交换膜和/或阴离子交换膜，所述电解液选自KOH、工业废水或生活废水等，当然，本发明对所述电解液的选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的电化学反应中常规的电解液即可，本领域技术人员可以根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整，这里只是优选KOH、工业废水或生活废水。

在本发明的一个实例中，本发明对所述隔膜的材质没有特别限制，以本领域技术人员熟知的电化学反应中常规的隔膜材质即可，本领域技术人员可以根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整，本发明所述隔膜优选为能够传递离子且不溶于电解液的隔膜即可，优选为阴离子交换膜或阳离子交换膜，具体可以为全氟磺酸质子交换膜(如nafion117、nafion112等)、nafion重铸膜、非氟聚合物质子交换膜等。

需要说明的是，在所述三电极电化学体系中，本发明对所述对电极的材质没有特别限制，以本领域技术人员熟知的电化学反应中常规的对电极材质即可，本领域技术人员可以根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整，本发明所述对电极的材质优选包括铂片等。

在本发明的一个实例中，本发明对所述工作电极的催化剂材料没有特别限制，以本领域技术人员熟知的电化学反应中常规的工作电极催化剂材料即可，本领域技术人员可以根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整，本发明所述工作电极的催化剂材料根据氧化还是还原优选为α-Ni(OH)₂、NF-Ni₂P-Fe₂P等适用于UOR方向的材料以及CMK-3等适用于ORR方向的材料。

在本发明的又一个实例中，本发明对所述参比电极的材质没有特别限制，以本领域技术人员熟知的电化学反应中常规的参比电极材质即可，本领域技术人员可以根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整，本发明所述参比电极的材质优选包括银/氯化银参比电极或汞/氧化汞参比电极，更优选为汞/氧化汞参比电极。

进一步的，作为本发明的一种优选实施例，所述电化学装置还包括用于与电极进行连接以进行通电的电源4，所述电源4通过线路11与所述电极进行电性连接，具体的，所述电源4的一端与阳极电极8连，所述电源4的另一端和阴极电极9相连。

在本发明实施例中，在阳极电极8发生的反应是通电后于催化剂作用下将尿素进行分解：

Anode：CO(NH₂)₂+6OH^-→N₂+5H₂O+CO₂+6e^-。

在本发明实施例中，在阴极电极9发生的反应是尿素分解的产物与氧气进行合成生成过氧化氢：

Cathode：3O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O₂。

在本发明的一个实例中，所述气体输送装置包括氧气发生器15，所述氧气发生器15的输出端通过输入管道12与设置在所述阴极反应室5外部的气相室10连通，氧气发生器15产生的氧气进入气相室10后再进入阴极反应室5内的电解液中，所述输入管道12上还设置有流量计13与流量调节件14，通过所述流量计13实时获得输送的气体的流量大小，同时通过流量调节件14来进行灵活调节流量大小。

在本发明的又一个实例中，所述流量调节件14可以是现有技术中的阀门产品，例如，可以是手动阀、电动阀、液动阀、气动阀、涡轮阀、电磁阀、电磁液动阀、电液阀、气液阀、齿轮阀等，优选的，所述流量调节件14是现有产品中的电磁流量阀，具体型号根据需求进行选择，这里并不作限定，只要可以在压力、温度或其它形式传感信号的作用下，按预定的要求动作，或者不依赖传感信号而进行简单的开启或关闭，阀门依靠驱动或自动机构使启闭件作升降、滑移、旋摆或回转运动，从而改变其流道面积的大小以实现其控制功能即可。

在本发明的又一个实例中，在本发明中连接的管路(输入管道12以及第一循环管路3与第二循环管路6)上都可以设置流量计13、流量调节件14或其他自控装置，本发明不做特别限定，本领域技术人员可以根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整。

需要说明的是，本发明上述电化学装置中的配件或条件的选择、比例和参数，以及相应的优选原则等，如无特别注明，与前述电化学装置中的配件或条件的选择、比例和参数，以及相应的优选原则等均相互对应，在此不再一一赘述。

进一步的，本发明的一个实施例还提供一种电化学分解尿素并合成过氧化氢的方法，采用上述的电化学装置，所述电化学分解尿素合成过氧化氢的方法具体包括以下步骤：将电解反应装置通电后于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解，同时，在阴极通过气体输送装置输入的氧气或压缩空气进行合成生成过氧化氢。

具体的，所述电化学分解尿素合成过氧化氢的方法是一种多材料和氧气(压缩空气)同步电化学分解尿素并还原产生过氧化氢的方法，在通入氧气或者压缩空气后，经过电化学反应将尿素分解并产生过氧化氢，本发明仅用氧气为原料，同步进行电解工业废水或生活废水中的尿素并且产生工业原料过氧化氢，从而实现综合利用，通过同步电催化反应，利用高效催化剂分解尿素，同时催化生成过氧化氢，该方法有助于解决工业以及生活废水的污染问题，环保，设备小型化并且生成工业原料应用价值大，在国内倡导环保和低产能的大背景下，该方案的实施具有极大的商业价值和应用前景；而且，本发明提供的电化学合成方法工艺简单，装置设备模块化且要求低，反应条件简单，并且能就地使用，运输要求低，能更加适用与高效工业生产过程。

作为本发明的一种优选实施例，在所述电化学分解尿素合成过氧化氢的方法中，所述氧气或压缩空气的压力是0.1-20Bar(压强单位，巴)，优选的，所述氧气或压缩空气的压力是1-16Bar，更优选为4-11Bar，当然，这里并不是作为限定，本领域技术人员可以根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整，通常，本发明对所述氧气或压缩空气的具体选择和条件以本领域技术人员熟知的常规条件和选择即可。

需要说明的是，本发明创造性的采用了氧气或压缩空气为原料，多种高效UOR催化剂来同步进行电催化分解尿素并合成过氧化氢，该电化学分解尿素合成过氧化氢的方法综合考虑了利用易收集气体氧气合成过氧化氢装置和分解尿素装置的一体化，通过同步电催化反应(其中的电能可以是太阳能或者风能转化)，在催化剂的作用下来实现分解尿素和产生过氧化氢同步进行，有助于治理环境污水，环保，设备小型化、一体化，在国内倡导环保和去产能的大背景下，该方法的应用具有极大的商业价值和市场前景。实验结果表明，本发明提供的电化学分解尿素合成过氧化氢的方法，稳定性相对较好，常温常压下对电流影响不大，实验室中用氨敏电极对阳极产物进行分析得出尿素确实被分解，分解率高达95％之上，紫外数据表明阴极有过氧化氢产生，产率高达97％之上。

为进一步进行完整和优化方法和装置的配合，本发明所述电化学装置的具体使用方法可以分为以下步骤：

开启氧气发生器15的阀门，调节流量计13，使气体均匀适量的通入气相室10，随即通电进行电解反应，反应一段时间后，取阳极电解液1以及阴极电解液7进行分析，可以得到尿素的分解率以及过氧化氢的产率。期间可以通过调节外界施加电位的数值，反应气的压力与温度，催化剂材料的选择，电解液成分等参数，达到最佳的电解效果。

本发明上述步骤提供了一种尿素分解及合成过氧化氢的方法以及装置，本发明创造性的采用了氧气或压缩空气为原料，通过多种高效UOR催化剂来同步进行电催化分解尿素并合成过氧化氢，通过同步电催化反应，在催化剂的作用下来实现分解尿素和产生过氧化氢同步进行，有助于治理环境污水，环保，设备小型化、一体化，在国内倡导环保和去产能的大背景下，该方法的应用具有极大的商业价值和市场前景。

本发明提供的电催化过程中，电解材料、电极电势为主要控制因素，反应温度和压力为次要，控制因素相对较少，易于实现过程自动化和大规模应用；而且反应所需的电极、电解液都可以循环使用。其化学反应消耗的主要是氧气，但是我们可以也采用通入空气，来源相对更广泛，表现出极具潜力的应用前景。

为了进一步说明本发明，以下结合具体的几个实施例对本发明提供的方法进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，但是并不是对本发明的保护范围进行限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。

实施例1

在被质子交换膜分隔的阳极电极8和阴极电极9的电解池中，阳极电极8中以铂片为工作电极，催化剂采用高效UOR催化剂；阴极电极9用铜片为电极，催化剂采用CMK-3，参比电极为银/氯化银电极，在阳极反应室2循环入含KOH(浓度1mol/L)和尿素(浓度0.33mol/L)的溶液，阴极反应室5循环入KOH(浓度1mol/L)溶液，并向气相室10通入氧气，在连续通入的条件下恒电位同步分解尿素以及合成过氧化氢，电位控制在1.2v(相对于银/氯化银电极)(未经IR校正)。

对本发明实施例1提供的制备过程进行检测。

电催化反应过程中每隔25分钟取样一次，对于阳极溶液每次取10mL，并且测试不同电位，每种电位下同样操作取溶液，溶液取出后，进行稀释操作，将稀释完的溶液与缓冲溶液(由磷酸氢二钠与磷酸二氢钠配制而成)混合后通过氨敏电极进行测试，再与标准溶液进行比对，从而计算出尿素的分解率；对于阴极溶液，同样每隔25分钟进行取样，对于其过程中产生的过氧化氢浓度主要通过紫外光谱法测定，该测试方式基于黄色的Ce⁴⁺溶液和过氧化氢之间的反应，最终Ce⁴⁺会被还原成无色的Ce³⁺。因此，过氧化氢的浓度可以根据被还原的Ce⁴⁺的量计算出来，使用型号为UV-3600的紫外可见分光光谱仪在特定波长为316nm条件下测定Ce⁴⁺的浓度，紫外数据表明阴极有过氧化氢产生，产率高达97％之上。

实施例2

在本发明实施例中，一种电化学装置，在被质子交换膜分隔为阳极电极8和阴极电极9的电解池中，同样以铂片为工作电极，阳极为UOR催化剂，同时参比电极为汞/氧化汞电极，阴极以铜片为电极，催化剂为CMK-3，阳极电解液为模拟人体尿液，阴极电解液为KOH(浓度1mol/L)，并向气相室10通入氧气，在连续通入的情况下，进行LSV(线性扫描伏安法)测试，测试时间分别为0min、5min、30min、60min每个时间测一次LSV，得出如图2与图3所示的在模拟尿液条件下的LSV曲线图。其中，图2是测试时间分别为0min与5min的在模拟尿液条件下的LSV曲线图，图3是测试时间分别为30min与60min的在模拟尿液条件下的LSV曲线图。

结果表明，对于人体尿液，此电解系统几乎不受其他溶液中其他成分干扰，能够很好的起到分解尿素的作用。

实施例3

对实施例3中提供的电化学装置的三电极体系进行稳定性测试，以铂片为对电极，阳极采用铂片为电极，阳极为UOR催化剂，参比电极采用汞/氧化汞电极，阴极以铜片为电极，催化剂为CMK-3，阳极电解液为模拟人体尿液，阴极电解液为KOH(浓度1mol/L)，并向气相室10通入氧气，进行电流-时间测试，得出如图4所示的电流-时间曲线图。结果表明，电解系统稳定性偏好，能够很好的满足实际工业需求。

本发明上述实施例中提供了一种电化学装置，包括电解反应装置与气体输送装置，电解反应装置用于在通电条件下于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解并在阴极通过输入氧气或压缩空气进行合成生成过氧化氢，所述气体输送装置的输出端与所述电解反应装置相连接，用于输送氧气或压缩空气确保实现同步尿素分解并且合成过氧化氢，并基于该电化学装置提供了电化学分解尿素并合成过氧化氢的方法，具体是一种多材料和氧气(压缩空气)同步电化学分解尿素并还原产生过氧化氢的方法，在通入氧气或者压缩空气后，经过电化学反应将尿素分解并产生过氧化氢，本发明仅用氧气为原料，同步进行电解工业废水或生活废水中的尿素并且产生工业原料过氧化氢，从而实现综合利用，通过同步电催化反应，利用高效催化剂分解尿素，同时催化生成过氧化氢，该方法有助于解决工业以及生活废水的污染问题，环保，设备小型化并且生成工业原料应用价值大，在国内倡导环保和低产能的大背景下，该方案的实施具有极大的商业价值和应用前景；而且，本发明提供的电化学合成方法工艺简单，装置设备模块化且要求低，反应条件简单，并且能就地使用，运输要求低，能更加适用与高效工业生产过程，解决了现有尿素废水的处理方法在工业应用中存在着投入成本高的问题。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述的实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种电化学系统，其特征在于，所述电化学系统包括：

电解反应装置，用于在通电条件下于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解并在阴极通过输入氧气或压缩空气进行合成生成过氧化氢；以及气体输送装置，所述气体输送装置的输出端与所述电解反应装置相连接，气体输送装置用于输送氧气或压缩空气以实现同步尿素分解并且合成过氧化氢。

2.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述电解反应装置包括电极、隔膜和电解液，所述隔膜用于将电解液进行分隔形成阳极反应室与阴极反应室，所述电极用于在通电作用下将尿素在阳极反应室进行分解并在阴极反应室输入氧气或压缩空气后合成生成过氧化氢以完成同步催化过程。

3.根据权利要求2所述的电化学装置，其特征在于，所述电解反应装置包括两电极电化学反应体系或三电极电化学反应体系；当所述电解反应装置是两电极电化学反应体系时，所述电极包括位于阳极反应室的阳极电极与位于阴极反应室的阴极电极；当所述电解反应装置是三电极电化学反应体系时，所述电极包括对电极、工作电极与参比电极。

4.根据权利要求3所述的电化学装置，其特征在于，所述两电极电化学反应体系的电位区间为1.1V-2.2V(未经IR校正)；所述三电极电化学反应体系的电位区间为0.1V-0.9V(未经IR校正)。

5.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述分解与合成时采用的催化剂包括UOR催化材料和/或ORR催化材料。

6.根据权利要求2所述的电化学装置，其特征在于，所述隔膜包括阳离子交换膜和/或阴离子交换膜，所述电解液选自KOH、工业废水或生活废水。

7.根据权利要求2所述的电化学装置，其特征在于，所述电化学装置还包括用于与电极进行连接以进行通电的电源，所述电源通过线路与所述电极进行电性连接。

8.一种电化学分解尿素合成过氧化氢的方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一所述的电化学装置，所述电化学分解尿素并合成过氧化氢的方法具体包括以下步骤：将电解反应装置通电后于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解，同时，在阴极通过气体输送装置输入的氧气或压缩空气进行反应合成生成过氧化氢。

9.根据权利要求8所述的电化学分解尿素合成过氧化氢的方法，其特征在于，所述氧气或压缩空气的压力是0.1Bar-20Bar。

10.一种如权利要求8-9任一所述的电化学分解尿素合成过氧化氢的方法在污水处理和/或过氧化氢制备中的应用。

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