【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及新能源领域，更具体地，涉及一种氧功能化碳基材料、电合成过氧化氢装置及其制备方法和应用。
技术介绍
1、双氧水(h2o2)是一种环保型氧化剂，反应产物只有h2o和o2，在消毒、废水处理、化工乃至能源等领域都有很大的需求。全球过氧化氢的需求量巨大，其生产量由2015年550万吨进一步扩大到2022年650万吨。目前，h2o2的工业合成依赖于蒽醌法，这是一个包括加氢、氧化、提取和纯化在内的能源密集型化学过程，会产生大量的有机副产物。目前，常见的制双氧水的方法，包括氢气和氧气直接合成、电催化合成、光催化合成等。电催化合成h2o2是在温和的条件下通过阴极氧还原生产h2o2，是方便且经济的方法。只要有电、水和空气，就可以产生立即使用h2o2，甚至可以用于家庭卫生或清洁产品，避免目前集中生产h2o2过程中与运输和储存相关的成本和危害。
2、贵金属催化剂，如pt、pd和pt-hg，在h2o2电催化合成方面表现出了很高的性能，但它们价格昂贵且稀缺。碳基材料成本低、可商用化，同时具有良好的化学稳定性、电子导电性和结构可调等特点。对碳基材料进行表面功能化处理，是调整碳材料电子结构的有效途径。比如一项名为一种电合成过氧化氢催化剂及其制备方法和应用的中国专利，提供了一种以mof为模板，通过煅烧、硒化、磷化合成copse/c的催化剂，用于酸性溶液高效产双氧水。名称为一种用于电化学合成过氧化氢的电催化剂及其制备方法、电极及其制备方法的中国专利，以co-edta金属离子螯合物为前驱体磷化得到cop/cop2/npc催化剂，其可以用于电
3、此外，电催化合成h2o2可现制现用，避免了蒽醌法集中生产之后超高浓度(30％以上)过氧化氢的储存、运输等风险，且该工艺可根据使用需要调节反应器运行参数，制备所需浓度的过氧化氢，是一种极具应用前景的方法。
4、但电催化合成h2o2在制备高浓度过氧化氢的层面上目前仍然存在缺陷，比如，在单室条件下，但h2o2累积到一定浓度时，阳极表面存在的分解h2o2的氧化反应将会变得活跃，如下式所示：
5、h2o2+2h++2e-→2h2o (1)
6、这直接导致h2o2浓度无法进一步累积。现有通过电催化合成h2o2得到的过氧化氢的浓度的最高水平仍较低，比如：lee等人(nature catalysis,2023，6(3),234-243)利用copc-cnt(o)催化剂，电合成过氧化氢浓度达到4.6wt.％，但仍在较低的水平，这限制了其在环境消杀、化工合成以及难降解污染物的处理等领域的应用。
7、因此，亟需开发一种用于电催化合成h2o2、成本低、制备方法简单、且可合成高浓度过氧化氢的催化剂材料。
技术实现思路
1、本专利技术的首要目的是克服上述现有用于电催化合成h2o2的催化剂材料成本高、制备方法复杂、且过氧化氢的最高浓度仍较低的问题，提供一种氧功能化碳基材料的制备方法。该氧功能化碳基材料由炭黑和葡萄糖进行一步水热法制备，所得材料具有良好的催化活性和稳定性。将该氧功能化碳基材料作为阴极材料应用在电合成过氧化氢装置中，解决h+传递阻力大、电解液ph值不稳定及水管理的问题，从而能够电合成高浓度过氧化氢溶液(最高可达到19wt.％)，同时保证电合成过氧化氢装置的长期稳定运行；且电合成过氧化氢装置进一步与电渗析装置配合使用，可得到高浓度、高纯度的过氧化氢溶液。
2、本专利技术的进一步目的是提供一种氧功能化碳基材料。
3、本专利技术的进一步目的是提供一种电合成过氧化氢装置。
4、本专利技术的进一步目的是提供一种电合成过氧化氢的方法。
5、本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
6、一种氧功能化碳基材料的制备方法，包括如下步骤：
7、将炭黑和葡萄糖加入到溶剂中，进行水热反应，即得所述氧功能化碳基材料；
8、所述炭黑与葡萄糖的质量比为1：(0.125～0.5)。
9、本专利技术的制备方法调控炭黑与葡萄糖的质量比并在水热条件进行反应，不仅可以保持炭黑的晶体结构和形貌保持不变，炭黑保持纳米颗粒的形貌且纳米颗粒之间形成多孔结构，而且使得氧官能团成功地引入到炭黑中，进而使得氧功能化碳基材料具有良好的催化活性和稳定性；将该氧功能化碳基材料作为阴极材料应用在电合成过氧化氢装置中，解决h+传递阻力大、电解液ph值不稳定及水管理的问题，从而能够电合成高浓度过氧化氢溶液，同时保证电合成过氧化氢装置的长期稳定运行；且电合成过氧化氢装置进一步与电渗析装置配合使用，可得到高浓度、高纯度的过氧化氢溶液。
10、此外，本专利技术的氧功能化碳基材料没有使用贵金属(如pt)，也不需要进行长时间的浓酸酸性处理或高温煅烧，制备过程简单快速，成本低。
11、优选地，所述炭黑的质量和溶剂的体积之比为1g/(10～20)ml。
12、优选地，所述溶剂为水。
13、优选地，所述将炭黑和葡萄糖加入到溶剂中的具体过程为：先将炭黑分散于溶剂中，搅拌15～30min，然后加入葡萄糖，搅拌15～30min。
14、优选地，所述水热反应的温度为160～180℃，时间为1～3小时。
15、优选地，所述水热反应在密封的反应容器中进行。
16、优选地，所述水热反应之后还包括冷却、洗涤和干燥的步骤。
17、更为优选地，所述洗涤的次数3～5次。
18、更为优选地，所述干燥的温度为60～80℃。
19、优选地，所述炭黑与葡萄糖的质量比为1:(0.125～0.25)。
20、该在质量比范围内，制得的氧功能化碳基材料的催化活性更好。
21、更为优选地，所述炭黑与葡萄糖的质量比为1:0.25。
22、一种氧功能化碳基材料，通过上述的制备方法制备得到。
23、上述氧功能化碳基材料作为阴极在电合成过氧化氢装置中的应用也在本专利技术的保护范围内。
24、一种电合成过氧化氢装置，包括阳极室、阴极室、阳极、阴极、阳极液、阴极液和双极膜；所述双极膜将阳极室和阴极室隔开；所述阳极为镀铱钌钛网或镍网；所述阴极的材料为上述氧功能化碳基材料；所述阳极液为强碱溶液；所述阴极液为ph为6.0～9.0的电解质溶液。
25、本专利技术的电合成过氧化氢装置以氧功能化碳基材料作为阴极，由于具有良好的催化活性和稳定性，使得电合成过氧化氢装置产双氧水的法拉第效率能够接近75～100％，电合成过程中阴、阳极电解液ph保持不变，有利于双氧水的稳定，可在中性溶液(ph为6.0～9.0)中稳定高效生产3wt.％以上的双氧水，双氧水浓度最高可达19wt.％。同时，在本专利技术的电合成过氧化氢装置中的阳极液可不更换。此外，本专利技术的电合成过氧化氢装置能够实现稳定运行500h。
26、优选地，所述强碱本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种氧功能化碳基材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述炭黑的质量和溶剂的体积之比为1g/(10～20)mL。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为160～180℃，时间为1～3小时。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述炭黑与葡萄糖的质量比为1:(0.125～0.25)。
5.一种氧功能化碳基材料，其特征在于，通过权利要求1～4任一所述的制备方法制备得到。
6.权利要求5所述氧功能化碳基材料作为阴极在电合成过氧化氢装置中的应用。
7.一种电合成过氧化氢装置，其特征在于，包括阳极室、阴极室、阳极、阴极、阳极液、阴极液和双极膜；所述双极膜将阳极室和阴极室隔开；所述阳极为泡沫镍或镀铱钌钛网；所述阴极的材料为权利要求5所述氧功能化碳基材料；所述阳极液为强碱溶液；所述阴极液为pH为6.0～9.0的电解质溶液。
8.根据权利要求6所述电合成过氧化氢装置，其特征在于，所述强碱溶液为氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液；所述阴
9.一种电合成过氧化氢的方法，其特征在于，基于权利要求7～8任一所述电合成过氧化氢装置进行。
10.根据权利要求9所述方法，其特征在于，采用电渗析装置对所述电合成过氧化氢装置合成的过氧化氢溶液进行脱盐处理。
...【技术特征摘要】
1.一种氧功能化碳基材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述炭黑的质量和溶剂的体积之比为1g/(10～20)ml。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为160～180℃，时间为1～3小时。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述炭黑与葡萄糖的质量比为1:(0.125～0.25)。
5.一种氧功能化碳基材料，其特征在于，通过权利要求1～4任一所述的制备方法制备得到。
6.权利要求5所述氧功能化碳基材料作为阴极在电合成过氧化氢装置中的应用。
7.一种电合成过氧化氢装置，其特征在于，包括阳极室、阴...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘广立，李鑫，黄凯敏，辛浩然，樊青娟，骆海萍，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。