一种表面微裂纹抗电润湿的结构非连续式空气自吸电极、制备方法以及用途技术

本发明专利技术涉及一种表面微裂纹抗电润湿的结构非连续式空气自吸电极制备方法，涂覆制备的炭黑

【技术实现步骤摘要】
一种表面微裂纹抗电润湿的结构非连续式空气自吸电极、制备方法以及用途


[0001]本专利技术涉及一种表面微裂纹抗电润湿的结构非连续式空气自吸电极制备方法和应用，属于电催化电极制备


技术介绍

[0002]近年来，通过温和的电化学氧还原反应合成H2O2正成为传统能源密集型蒽醌工艺潜在的绿色替代战略，该过程可以直接利用空气中的氧气和可再生的电能现场原位生产H2O2，便于下游各种应用的分散式集成。在典型的电化学合成过程中，H2O2的产量很大程度上取决于电极材料的性质。目前为止研究最广泛的电极材料根据氧气的供应方式可分为两类：浸没式电极和空气扩散电极。前者利用电解液中的溶解氧完成ORR过程，然而，该类电极通常仅允许在较小的电流密度下(<10mA/cm2)保持高H2O2产率和电流效率，随着外加电势的增加，其效率会受到缓慢氧传质的限制。为了解决这一问题，研究人员开发出了空气扩散电极，它允许氧气从外部直接扩散至阴极催化层的三相界面完成ORR反应，极大提高了氧气利用率，为H2O2电催化合成的规模化应用开辟了新途径。
[0003]截至目前，针对空气扩散电极的大部分研发主要集中于对电催化剂的ORR选择性改性方面，然而实现空气扩散电极在工业大电流密度下(>100mA/cm2)的稳定运行仍是巨大挑战。这是因为随着电流密度的增加由电润湿效应引起的催化层“水淹”现象会逐渐加剧,进而导致氧气扩散阻力的迅速增加。因此，大电流密度下的ORR性能很大程度上受界面处氧气浓度的影响，即润湿行为控制的界面结构上的氧传质效率。因此，开发一种能够抗电润湿的空气自吸电极制备方法具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术涉及一种表面微裂纹抗电润湿的结构非连续式空气自吸电极制备方法，涂覆制备的炭黑
‑
聚四氟乙烯薄膜在煅烧过程中会形成大量不规则的微裂纹进而导致结构的不连续性，这种结构非连续式空气自吸电极可在电催化服役过程中有效避免电润湿效应及其导致的电解液泛洪现象，保持稳定的局部防水性和空气自主扩散通道，实现H2O2的高效、持久电化学合成。所述结构非连续式空气自吸电极按照如下步骤制备而成：以聚四氟乙烯分散液改性后的不锈钢网为基底，将炭黑、聚四氟乙烯和乙醇的混合膏体均匀涂覆在该基底表面，随后在热处理过程中由于乙醇溶剂的快速挥发导致体积收缩，进而在炭黑
‑
聚四氟乙烯涂层结构中形成大量不规则的微裂纹。商品化炭黑由于其优异的二电子氧还原反应(ORR)活性以及低廉的成本被选择为电催化剂，聚四氟乙烯作为粘结剂和疏水剂使得涂层成形同时赋予界面基础疏水性。重要的是，由于空间位阻效应，电极结构的非连续性使得电场线无法到达，造成了裂纹处局部的低电场区，实现了电极在长周期电解过程中的抗电润湿能力并达成了电极在电场下稳定的疏水性和快速氧传输通道，极大提高了在空气中H2O2电合成过程中的产量、电流效率和长期稳定性。
[0005]一种表面微裂纹抗电润湿的结构非连续式空气自吸电极，包括支撑材料，支撑材料表面负载有扩散层，以及负载于扩散层表面的电极材料，所述的电极材料中包括碳和聚合物，且电极材料表面存在着微裂纹。
[0006]所述的扩散层中包括有聚合物。
[0007]所述的电极材料中的聚合物和/或扩散层中的聚合物具有大于90
°
的水滴接触角；优选是聚四氟乙烯。
[0008]所述的支撑材料是导电多孔材料，是不锈钢网、泡沫镍、石墨毡中的一种。
[0009]所述的电极材料中的碳和聚合物的重量比是0.5
‑
1.5：1。
[0010]所述的微裂纹的宽度是40
‑
500μm。
[0011]上述的表面微裂纹抗电润湿的结构非连续式空气自吸电极的制备方法，包括如下步骤：
[0012]步骤1，将支撑材料浸没于含有聚合物的分散液中，取出后烘干，使表面负载扩散层；
[0013]步骤2，在含有聚合物的分散液中加入炭黑和醇类溶剂，混合均匀后，作为混合液，继续蒸发溶剂，使成膏体，并涂覆于步骤1中所得的支撑材料的表面；
[0014]步骤3，煅烧处理后，得到电极。
[0015]所述的步骤1中，烘干条件为50
‑
120℃下1
‑
20小时。
[0016]所述的步骤1中，含有聚合物的分散液的浓度是2
‑
10wt％，所述的聚合物是聚四氟乙烯。
[0017]所述的步骤2中，含有聚合物的分散液的浓度是40
‑
70wt％；且炭黑、含有聚合物的分散液和醇类溶剂的质量比为1：0.2
‑
2：50
‑
200。
[0018]所述的步骤3中，煅烧条件为以1
‑
10℃/min升温速率升至330
‑
400℃，并继续保持煅烧10
‑
100分钟后，以1
‑
10℃/min降温速率降至室温。
[0019]一种电化学氧还原反应合成H2O2的方法，采用上述的自吸电极进行催化反应。
[0020]所述的方法中，采用10
‑
500mM硫酸钠为支撑电解液，电流强度10
‑
100mA/cm2。
[0021]所述的方法中，所述的电极材料用于保持界面疏水性。
[0022]有益效果
[0023]本专利技术的表面微裂纹抗电润湿的结构非连续式空气自吸电极由不锈钢网基底/炭黑
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聚四氟乙烯经涂覆、煅烧自然形成微裂纹后得到。商品化炭黑由于其优异的ORR活性以及低廉的成本被选择为电催化剂，聚四氟乙烯作为粘结剂和疏水剂使得涂层成形同时赋予界面基础疏水性。重要的是，由于空间位阻效应，电极结构的非连续性使得电场线无法到达造成了裂纹处局部的低电场区，这实现了电极在长周期电解过程中的抗电润湿能力并达成了电极在电场下稳定的疏水性和快速氧传输通道，极大提高了在空气中H2O2电合成过程中的产量、电流效率和长期稳定性。
附图说明
[0024]图1是本专利技术实施例1中结构非连续式空气自吸电极与传统结构连续式空气扩散电极在无曝气条件下生产过氧化氢产量和电流效率图；
[0025]图2是本专利技术实施例1中结构非连续式空气自吸电极与传统结构连续式空气扩散
电极在反应过程中的润湿性演变照片；
[0026]图3是本专利技术实施例1中结构非连续式空气自吸电极与传统结构连续式空气扩散电极在反应过程中的接触角演变照片；
[0027]图4是本专利技术实施例2中结构非连续式空气自吸电极在实验室小电流密度至工业级大电流密度、无曝气条件下生产过氧化氢产量图；
[0028]图5是本专利技术实施例3中结构非连续式空气自吸电极在工业电流密度和无曝气条件下生产过氧化氢的长周期稳定性图。
具体实施方式
[0029]通过涂覆制备的炭黑
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聚四氟乙烯薄膜在煅烧过程中形成了大量不规则的微裂纹，这些微本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面微裂纹抗电润湿的结构非连续式空气自吸电极，其特征在于，包括支撑材料，支撑材料表面负载有扩散层，以及负载于扩散层表面的电极材料，所述的电极材料中包括碳和聚合物，且电极材料表面存在着微裂纹。2.根据权利要求1所述的表面微裂纹抗电润湿的结构非连续式空气自吸电极，其特征在于，所述的扩散层中包括有聚合物。3.根据权利要求2所述的表面微裂纹抗电润湿的结构非连续式空气自吸电极，其特征在于，所述的电极材料中的聚合物和/或扩散层中的聚合物具有大于90
°
的水滴接触角；优选是聚四氟乙烯。4.根据权利要求1所述的表面微裂纹抗电润湿的结构非连续式空气自吸电极，其特征在于，所述的支撑材料是导电多孔材料，是不锈钢网、泡沫镍、石墨毡中的一种；所述的电极材料中的碳和聚合物的重量比是0.5
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1.5：1；所述的微裂纹的宽度是40
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500μm。5.权利要求1所述的表面微裂纹抗电润湿的结构非连续式空气自吸电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将支撑材料浸没于含有聚合物的分散液中，取出后烘干，使表面负载扩散层；步骤2，在含有聚合物的分散液中加入炭黑和醇类溶剂，混合均匀后，作为混合液，继续蒸发溶剂，使成膏体，并涂覆于步骤1中所得的支撑材料的表面；步骤3，煅烧处理后，得到电极。6.权利要求1所述的表面微裂纹抗电润湿的结构非连续式空气自吸电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：景文珩，张龙顺，崔乐乐，陈斌，仇健，许亮，
申请(专利权)人：江苏双良环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：