模块化空气自扩散阴极-钛铱阳极电极组及阴极制备方法技术

本发明专利技术公开模块化空气自扩散阴极‑钛铱阳极电极组，主要由空气自扩散阴极，阳极板构成，所述空气自扩散阴极为三维立体圆筒结构，所述空气自扩散阴极无需固定在立方体反应器侧壁，安放在电解槽内部，做到即插即用，即拔即停，实现H

【技术实现步骤摘要】
模块化空气自扩散阴极-钛铱阳极电极组及阴极制备方法
本专利技术涉及电化学催化合成领域，特别涉及一种模块化空气自扩散阴极-钛铱阳极电极组及阴极制备方法，可将碳基辊压型空气自扩散阴极与钛铱电极板整合成模块化电极组以达到方便使用的“便插拔”式电极，以及其在高效便捷合成H2O2中的应用。
技术介绍
过氧化氢(H2O2)作为一种多功能氧化剂，可单独或与其他试剂结合使用，广泛应用于消毒急救、半导体清洗、纸浆和纺织品漂白、化学合成以及废水处理。特别是在环境领域，H2O2被广泛应用于许多高级氧化工艺(AOPs)中，如H2O2/UV、H2O2/Fe2+、H2O2/O3等。在这些基于H2O2的高级氧化工艺中，H2O2可原位生成强氧化剂羟基自由基(·OH，E°(·OH/H2O)＝2.80V/SHE)，然后以106-1010M-1s-1的高速率常数对各种污染物进行非选择性氧化。此外，·OH自猝灭使其在水中的寿命缩短至几纳秒，对处理系统没有任何危害。AOPs已应用于降解抗生素、除草剂、杀虫剂、内分泌干扰物、医药产品、废水有机物等多种污染物，显示了其在水处理方面的潜力。目前，H2O2主要商业合成方法是蒽醌氧化法，这种方法费用高、污染重、存在环境毒性。此外，在高级氧化系统中所需的H2O2浓度普遍低于0.1％。蒽醌法合成的H2O2原液经过浓缩-运输-稀释过程在物料和能量上都造成了巨大的浪费，因此迫切需要寻找开发一种原位合成H2O2的技术用于AOPs工艺。近期，通过电化学催化合成方法，将氧气经二电子途径还原为H2O2逐步受到了人们的重视。使用相对廉价的碳基材料(如石墨、活性炭、碳纳米管等)作为阴极，搭建双电极或者三电极系统，使氧气在阴极催化合成为H2O2。目前在电化学催化体系中，阴极分为两大类，一种是曝气式阴极，多为蓬松3D结构，其作为催化合成H2O2的场所完全浸没在电解液当中，外界向电解液内不断鼓入空气或者纯氧，溶解氧扩散至电机内部催化合成H2O2；另一种为气体扩散电极，电极为薄片状，催化层一侧作为反应场所面对电解液，另一侧为气体扩散层防止电解液渗出的同时允许加压气体强行通过，氧气进入薄片内部的反应位点。构建气、液、固三相反应界面，便可高效合成H2O2。本课题组在2016年开发出了一种新型的辊压式“三明治”型空气自扩散阴极，其由催化层、集流体、扩散层三部分组成，催化层为石墨-炭黑-聚四氟乙烯混合催化剂，集流体为304不锈钢网，扩散层为炭黑-聚四氟乙烯疏水材料。本专利技术已经授权，其创新点在于构建的自扩散电极无需曝气或者加压，反应物氧气几乎完全来自于空气中氧气的自由扩散。因此在合成体系的搭建中大大降低了系统的复杂程度。但是在进一步的研究过程中我们发现了以下的缺陷需要解决：1)大电流下由于H2O2扩散不及时导致其进一步被还原为H2O，大大降低了电极催化H2O2的效率；2)在长期运行的过程中，由于催化层、集流体和扩散层在制备过程中压合不紧密，会使部分电极出现催化层-扩散层中间电解液累积现象，阻碍氧气扩散影响电极催化性能；3)电极固定在反应器侧壁，给反应器的设计和组装都带来了一定的麻烦。综上，满足新阶段要求的电极需要被开发制备。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对已有电极在实际运行中存在的上述问题，对空气自扩散电极进行全新升级：将催化层的单位面积负载量进行进一步优化以适应大电流下的H2O2合成；对扩散层进行升级替换，避免长期运行过程中“水淹”情况的出现；将阴阳极电极组制备整合成模块化形式，方便组装与拆卸，实现“即插拔”使用的效果。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：模块化空气自扩散阴极-钛铱阳极电极组，主要由空气自扩散阴极和阳极板构成，所述空气自扩散阴极为三维立体圆筒结构，所述空气自扩散阴极放置于电解槽内部，做到即插即用，即拔即停，实现催化H2O2生产的模块化系统构建。进一步，所述阳极板选用钛铱作为阳极析氧反应材料。进一步，电极组由有机玻璃模板整合而成，在空气自扩散阴极底部配设置有与之相匹配的卡槽；围绕空气自扩散阴极侧面开设有用于安放阳极板的插槽。进一步，在有机玻璃模板底部安装可伸缩支架，根据电解槽内水位的高低用于调节电极和水面的相对关系。进一步，所述插槽距空气自扩散阴极0.8cm。本专利技术的第二个技术方案是新型模块化空气自扩散阴极的制备方法，：该阴极由优化催化层、不锈钢网以及疏水纳米涂层组成；该阴极制备方法的步骤如下：1)催化层单位面积催化剂负载量的优化：(1)将粉末状石墨、粉末状导电碳黑在去离子水中超声洗净烘干后，与无水乙醇混合，超声搅拌，以使混合碳粉充分分散和溶解在无水乙醇中，在超声搅拌的条件下，逐滴加入聚四氟乙烯乳液，再超声搅拌得到混合物；(2)将上述混合物在水浴条件下搅拌后，在辊压机上连续辊压，直至压制成薄片，制得催化层；(3)将催化层与不锈钢网在辊压机上辊压以使催化层能够充分嵌入到不锈钢网中；2)扩散层材料的替换升级：将纳米疏水喷雾喷涂在不锈钢网的另一侧，并在空气中晾干；3)电极形貌的改进升级：将辊压制成的电极片卷成筒状，催化层一面朝向外侧，扩散层一侧朝向内侧，侧面封紧，在底部封口并固定于支架之上；4)阴阳极电极组的整合：将空气自扩散阴极卷成筒状并固定至有机玻璃模板上后，在支架上围绕阴极距阴极外侧开设卡槽用于插入钛铱电极板，将阴阳极整合至一个模板上。进一步，所述聚四氟乙烯乳液的浓度为1.5g/mL，石墨粉与导电炭黑的质量比为7:1至3:1。进一步，所述混合碳粉与无水乙醇的质量比为1:5至1:8，混合碳粉与聚四氟乙烯乳液的质量比为6:1至6：1.71。进一步，所述催化层+不锈钢网的厚度为0.4±0.03mm，催化剂负载量为30-70mg/cm2。进一步，所述扩散层的负载量调节范围为0-1.3mg/cm2。有益效果与现有电极相比，具有的优点和效果如下：1.电极在高电流密度下的催化效率明显提升，用于进行验证的小电极(7cm2)经优化后40mg/cm2的催化层性能最佳，在30mA/cm2(210mA)下H2O2产率达到105mg/h，电流效率为80％(如图3所示)。2.电极的扩散层经升级后，无水淹现象的产生。同时，简化了制备流程，将电极制备的工时缩短一半，扩散层成本降低62％，电极的综合物料成本下降至2.05￥/dm2(如表1所示)。3.电极经放大和形貌升级后电极的制备面积达到240cm2，其中最大有效面积可达到225cm2，随着电解池中电解液容量增减，水位高低相应变化，而电极的有效面积也随之改变。在加入2L电解液后电极的有效面积约120cm2。在900rpm的磁力搅拌下，施加3.6A电流(电流密度30mA/cm2)后产率可达到1420mg/h，电流效率达到62％(如图4所示)。4.电催化合成H2O2的过程中，无需曝气以及加压气体，降低了反应器的构造与运行复杂度。5.由于电极无需固定在反应器侧壁，可将电极直接投入电解池中，方便电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.模块化空气自扩散阴极-钛铱阳极电极组，主要由空气自扩散阴极和阳极板构成，其特征在于：所述空气自扩散阴极为三维立体圆筒结构，所述空气自扩散阴极放置于电解槽内部，做到即插即用，即拔即停，实现催化H

【技术特征摘要】
1.模块化空气自扩散阴极-钛铱阳极电极组，主要由空气自扩散阴极和阳极板构成，其特征在于：所述空气自扩散阴极为三维立体圆筒结构，所述空气自扩散阴极放置于电解槽内部，做到即插即用，即拔即停，实现催化H2O2生产的模块化系统构建。


2.根据权利要求1所述的模块化空气自扩散阴极-钛铱阳极电极组，其特征在于：所述阳极板由钛铱作为阳极析氧反应材料构成。


3.根据权利要求1所述的模块化空气自扩散阴极-钛铱阳极电极组，其特征在于：电极组由有机玻璃模板整合而成，在空气自扩散阴极底部设置有与之相匹配的卡槽；围绕空气自扩散阴极侧面开设有用于安放阳极板的插槽。


4.根据权利要求3所述的模块化空气自扩散阴极-钛铱阳极电极组，其特征在于：在有机玻璃模板底部安装可伸缩支架，根据电解槽内水位的高低用于调节电极和水面的相对关系。


5.根据权利要求3所述的模块化空气自扩散阴极-钛铱阳极电极组，其特征在于：所述插槽距空气自扩散阴极0.8cm。


6.新型模块化空气自扩散阴极的制备方法，其特征在于：该阴极由优化催化层、不锈钢网以及疏水纳米涂层组成；
该阴极制备方法的步骤如下：
1)催化层单位面积催化剂负载量的优化：
(1)将粉末状石墨、粉末状导电碳黑在去离子水中超声洗净烘干后，与无水乙醇混合，超声搅拌，以使混合碳粉充分分散和溶解在无水乙醇中，在超声搅...

【专利技术属性】
技术研发人员：李楠，安敬昆，王鑫，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12