空气阴极及制备方法和污水处理系统技术方案

本发明专利技术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。

Air cathode and its preparation method and sewage treatment system

The invention provides an air cathode, a preparation method and a sewage treatment system, and the use of the carbon based material in the preparation of the catalyst. The air cathode comprises a diffusion layer and a catalyst layer, wherein the catalyst layer contains a catalyst as described previously, the catalyst layer is placed on the side of the diffusion layer, and the collector layer, the collector layer and the catalyst layer are arranged on the same side of the diffusion layer. The air cathode is simple in structure and can be prepared without complex operation. Hydrogen peroxide can be prepared by cathodic reduction reaction at a lower potential.

【技术实现步骤摘要】
空气阴极及制备方法和污水处理系统
本专利技术涉及环境、材料、能源领域，具体地，本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术是基于专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。专利技术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。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了碳黑、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。在本专利技术的另一个方面，本专利技术提出了一种空气阴极。根据本专利技术的实施例，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。根据本专利技术的实施例，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。根据本专利技术的实施例，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。根据本专利技术的实施例，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。在本专利技术的又一方面，本专利技术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。根据本专利技术的实施例，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。在本专利技术的又一方面，本专利技术提出了一种污水处理系统。根据本专利技术的实施例，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。根据本专利技术的实施例，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。根据本专利技术的实施例，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显示了根据本专利技术一个实施例的空气阴极的结构示意图；图2显示了根据本专利技术另一个实施例的空气阴极的结构示意图；图3显示了根据本专利技术一个实施例的微生物燃料电池的结构示意图；图4显示了根据本专利技术另一个实施例的微生物燃料电池的部分结构示意图；图5显示了根据本专利技术一些实施例的空气阴极的过氧化氢浓度测试结果；图6显示了根据本专利技术一些实施例的空气阴极的过氧化氢浓度测试结果；图7显示了根据本专利技术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显示了根据本专利技术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显示了根据本专利技术实施例的微生物燃料电池体系的电极电势曲线；图10-图12显示了根据本专利技术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显示了根据本专利技术实施例以及对比例的催化剂的原子含量图；图14显示了根据本专利技术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专利技术的实施例，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，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了碳黑、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。专利技术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，在本专利技术中，“不高于-0.4V的电位”特指对饱和甘汞电极而言，根据本专利技术实施例的催化剂，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，根据本专利技术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下发生的反本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张潇源，董恒，黄霞，刘小婉，梁鹏，徐婷，王秋莹，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11