催化剂及其制备方法、阴极以及电化学系统技术方案

本发明专利技术提出了催化剂及其制备方法、阴极以及电化学系统。具体的，本发明专利技术提出了一种可催化产生双氧水的催化剂，所述催化剂包括碳纤维，所述碳纤维上修饰了金属‑有机框架化合物和铁。由此，在碳纤维上修饰金属‑有机框架化合物和铁能够显著提高碳纤维材料的电催化性能，因此，该催化剂具有优异的电催化性能；并且，该催化剂可用于催化空气阴极中的氧还原反应，产生过氧化氢，提高了空气阴极的性能；并且，该空气阴极可用于电化学系统中，提高电化学系统的产电性能以及净水效果。

Catalyst and its preparation method, cathode and electrochemical system

The invention provides a catalyst, a preparation method thereof, a cathode and an electrochemical system. Specifically, the invention provides a catalyst which can catalyze the production of hydrogen peroxide. The catalyst comprises carbon fibers, which are modified with metal, organic framework compounds and iron. As a result, modification of metal-organic framework compounds and iron on carbon fibers can significantly improve the electrocatalytic performance of carbon fibers, so the catalyst has excellent electrocatalytic performance; moreover, the catalyst can be used to catalyze oxygen reduction reaction in air cathode, produce hydrogen peroxide, and improve the performance of air cathode; moreover, the air cathode can be used in electrochemical system. In order to improve the electricity production performance and water purification effect of the electrochemical system.

【技术实现步骤摘要】
催化剂及其制备方法、阴极以及电化学系统优先权信息本申请请求2018年06月15日向中国国家知识产权局提交的、专利申请号为201810619476.1的专利申请的优先权和权益，并且通过参照将其全文并入此处。
本专利技术涉及环境、材料、能源领域，具体地，本专利技术涉及催化剂及其制备方法、阴极以及电化学系统。
技术介绍
环境问题与能源问题是当代社会发展面临的两大难题，净化污水的同时兼顾能源回收是污水处理技术面对的新挑战。采用电化学系统进行污水处理，可利用电化学反应形成诸如羟基自由基等强氧化性物质，从而达到净化污水的作用。然而，目前的电化学系统、催化剂以及阴极，仍有待提高。
技术实现思路
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。随着人口规模的不断扩大和社会经济的持续发展，城市生活污水以及工业污水的排放量也随之增长，污水处理负荷持续加重，这对污水处理水平的要求也越来越高。目前常用的生物处理方法，对可生化性差、相对分子质量从几千到几万的物质处理较困难，因此，目前常采用高级氧化法对可生化性差、相对分子量较大的物质进行降解处理。高级氧化法，是指利用通过一系列反应产生的氧化性能极强的羟基自由基，对污染物进行氧化降解的过程。高级氧化法能够使绝大部分有机物完全矿化或分解，具有很好的应用前景。其中，芬顿反应主要依靠亚铁试剂与过氧化氢反应生成羟基自由基用于污染物的去除乃至矿化，对污染物去除效果较好，是最常用的高级氧化工艺之一。然而，专利技术人发现，目前利用芬顿反应进行污水处理时仍然存在处理效率较低、处理成本较高等问题。在传统的芬顿反应当中，过氧化氢和铁盐都依赖外部投加。过氧化氢作为一种强氧化剂，在工业上主要通过蒽醌氧化法生产，但是由于其氧化性和不稳定性，在运输的过程中不仅易分解，而且容易爆炸，造成潜在的环境风险。铁盐在反应的过程中也存在着不能循环使用，产生铁泥等问题。因此，可以将高级氧化工艺应用在电化学系统中，利用电化学系统中阴极的氧还原反应，可原位产生过氧化氢，并将其用于催化氧化反应中，从而避免了过氧化氢的外部投加，提高了安全性；并且，芬顿反应的产物Fe(III)也可以在阴极上得到电子被还原为Fe(II)，从而实现铁试剂的循环利用。然而，专利技术人通过深入研究发现，目前的电化学系统的阴极中，催化氧气产生过氧化氢的催化剂，其催化效率较低，并且生产成本较高，不利于降低污水处理成本。有鉴于此，在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种可催化产生双氧水的催化剂。根据本专利技术的实施例，所述催化剂包括碳纤维，所述碳纤维上修饰有金属-有机框架化合物和铁。由此，碳纤维的比表面积较大、导电性良好，可以较好地催化氧气产生过氧化氢；在碳纤维上修饰金属-有机框架化合物和铁可以产生协同作用，能够显著提高碳纤维材料的电催化性能，因此，该催化剂具有优异的电催化性能。根据本专利技术的实施例，所述金属-有机框架化合物包括沸石咪唑酯骨架结构化合物。由此，进一步提高了该催化剂的催化性能。根据本专利技术的实施例，基于所述催化剂的总质量，所述金属-有机框架化合物的重量百分比为1％～50％。由此，进一步提高了该催化剂的催化性能。根据本专利技术的实施例，基于所述催化剂的总质量，所述铁的重量百分比为1％～50％。由此，进一步提高了该催化剂的催化性能。根据本专利技术的实施例，所述碳纤维的直径为0.1-5μm。由此，进一步提高了该催化剂的催化性能。根据本专利技术的实施例，所述催化剂为可自支撑的层状结构，所述层状结构具有孔隙，所述催化剂进一步包括：填充在所述孔隙中的碳基催化材料。由此，进一步提高了该催化剂的催化性能。在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种制备前面所述的催化剂的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：将金属-有机框架化合物分散在溶剂中，形成悬浊液；向所述悬浊液中分别加入碳源和铁源，以便形成前驱体溶液；对所述前驱体溶液进行静电纺丝处理，以便形成修饰了金属-有机框架化合物和铁的纤维；对所述纤维进行预氧化处理；将经过所述预氧化处理的所述纤维进行碳化处理，以便形成所述催化剂。由此，利用该方法可以简便地制得前面所述的催化剂，该催化剂在催化氧气产生过氧化氢的反应中催化性能良好。根据本专利技术的实施例，所述前驱体溶液中所述碳源的浓度为5-15％。由此，可以制备性能良好的碳纤维催化剂。根据本专利技术的实施例，所述碳源包括聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、炭黑、石墨烯、碳纳米管以及介孔碳的至少之一。由此，可以制备性能良好的碳纤维催化剂。根据本专利技术的实施例，所述铁源包括三乙酰丙酮铁、二乙酰丙酮亚铁、三氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、硝酸铁以及硝酸亚铁。由此，可以制备性能良好的碳纤维催化剂。根据本专利技术的实施例，所述静电纺丝处理的电压为5-30KV。由此，可以制备性能良好的碳纤维催化剂。根据本专利技术的实施例，所述静电纺丝处理中，电纺喷头距接收器的距离为8-30cm。由此，可以制备性能良好的碳纤维催化剂。根据本专利技术的实施例，所述静电纺丝处理中，向所述电纺喷头供给所述前驱体溶液的速度为5-100μL/min。由此，可以制备性能良好的碳纤维催化剂。根据本专利技术的实施例，所述预氧化处理包括：将所述修饰了金属-有机框架化合物和铁的纤维置于空气氛围中，进行第一加热处理，所述第一加热处理的升温速率为0.1-10℃/min，升温至220-400℃后，保温1-3h。由此，可以制备性能良好的碳纤维催化剂。根据本专利技术的实施例，所述碳化处理包括：将经过所述预氧化处理的所述修饰了金属-有机框架化合物和铁的纤维，在氮气氛围中进行第二加热处理，升温至1000℃，碳化1-2h，所述第二加热处理的升温速率为0.1-10℃/min。由此，可以制备性能良好的碳纤维催化剂。在本专利技术的又一方面，本专利技术提出了一种阴极。根据本专利技术的实施例，该阴极包括：催化剂层，所述催化剂层包括前面所述的可催化产生双氧水的催化剂。由此，该阴极可以催化氧气产生过氧化氢，并且，产生的过氧化氢可以和铁以及有机物发生芬顿反应，提高了该阴极的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述阴极为空气阴极，所述阴极进一步包括：集电层；以及扩散层。由此，该阴极可以实现空气中氧气的直接扩散、传质，节省了大量的曝气能耗，并且，该空气阴极可以催化氧气产生过氧化氢，产生的过氧化氢可以和铁以及有机物发生芬顿反应，提高了该空气阴极的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述催化剂层中不含粘结剂。由此，避免了由粘合剂带来的催化位点堵塞以及导电性下降等问题，并且无粘合剂的空气阴极也可以防止由于粘合剂在长期使用中脱落而带来的阴极寿命问题。根据本专利技术的实施例，所述催化剂层中所述催化剂的负载量2-30mg/cm2。由此，进一步提高了空气阴极的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述空气阴极在-0.4V电位下的催化电流密度不小于15A/m2。由此，该空气阴极具有良好的使用性能。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阴极的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：利用静电纺丝制备前面所述的催化剂，所述催化剂为可自支撑的层状结构；将所述层状结构压合在支撑结构上，以便获得所述阴极。由此，可以简便地制备前面所述的阴极，并且该阴极性能良好。根据本专利技术的实施例，所述阴极为空气阴极，所述可自支撑的层状结构包括集电层以及扩散层，所述方法进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可催化产生双氧水的催化剂，其特征在于，所述催化剂包括碳纤维，所述碳纤维上修饰有金属‑有机框架化合物和铁。

【技术特征摘要】
2018.06.15 CN 20181061947611.一种可催化产生双氧水的催化剂，其特征在于，所述催化剂包括碳纤维，所述碳纤维上修饰有金属-有机框架化合物和铁。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述金属-有机框架化合物包括沸石咪唑酯骨架结构化合物。3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，基于所述催化剂的总质量，所述金属-有机框架化合物的重量百分比为1％～50％；任选地，基于所述催化剂的总质量，所述铁的重量百分比为1％～50％。任选地，所述碳纤维的直径为0.1-5μm。4.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述催化剂为可自支撑的层状结构，所述层状结构具有孔隙，所述催化剂进一步包括：填充在所述孔隙中的碳基催化材料。5.一种制备权利要求1-4任一项所述的催化剂的方法，其特征在于，包括：将金属-有机框架化合物分散在溶剂中，形成悬浊液；向所述悬浊液中分别加入碳源和铁源，以便形成前驱体溶液；对所述前驱体溶液进行静电纺丝处理，以便形成修饰了金属-有机框架化合物和铁的纤维；对所述纤维进行预氧化处理；将经过所述预氧化处理的所述纤维进行碳化处理，以便形成所述催化剂。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述前驱体溶液中所述碳源的浓度为5-15％。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述碳源包括聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、炭黑、石墨烯、碳纳米管以及介孔碳至少之一；任选地，所述铁源包括三乙酰丙酮铁、二乙酰丙酮亚铁、三氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、硝酸铁以及硝酸亚铁的至少之一。8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述静电纺丝处理的电压为5-30KV；任选地，所述静电纺丝处理中，电纺喷头距接收器的距离为8-30cm；任选地，所述静电纺丝处理中，向所述电纺喷头供给所述前驱体溶液的速度为5-100μL/min。9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预氧化处理包括：将所...

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