一種高效產(chǎn)過氧化氫的空氣擴散陰極的構(gòu)型和制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高效產(chǎn)過氧化氫的空氣擴散陰極的構(gòu)型和制備方法。此方法主要是利用聚四氟乙烯與炭黑的混合液涂敷在碳纖維上制成空氣陰極片，然后將其按照一定構(gòu)型組裝起來。此空氣擴散陰極有良好的H2O2的產(chǎn)量和電流效率；空氣曝氣量需求低，運行方便，能耗??；選用碳纖維和炭黑材料，價格低廉，性質(zhì)穩(wěn)定，具有較高的實際應(yīng)用價值。
【專利說明】一種高效產(chǎn)過氧化氫的空氣擴散陰極的構(gòu)型和制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種高效產(chǎn)過氧化氫的空氣擴散陰極的構(gòu)型和制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]過氧化氫(H2O2)的電化學(xué)合成，也被稱為“電化學(xué)過氧化”過程，是一種電化學(xué)陰極還原反應(yīng)，隨著電芬頓在水處理方面的發(fā)展，H2O2的電化學(xué)產(chǎn)生也受到廣泛關(guān)注。其基本原理是溶解氧在陰極表面通過發(fā)生兩電子的氧化還原產(chǎn)生H2O2,反應(yīng)如下:
[0003]02+2H++2e — H2O2 [0004]近年來，碳材料越來越多的被作為產(chǎn)生H2O2的陰極備選材料，其主要優(yōu)勢包括:良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和抗腐蝕性，較高的析氫電位，對H2O2的催化分解活性較低，無毒性。目前，已有研究的良好陰極材料包括:石墨、碳?xì)?、活性炭纖維、發(fā)泡玻璃碳、碳海綿、碳納米管等。但以上碳材料在作為陰極時，通常有其最佳的H2O2還原電位范圍，否則H2O2的產(chǎn)量和電流效率就會迅速下降，使得其應(yīng)用受限。另外，氧氣在水中的溶解度較低，往往不能滿足陰極還原產(chǎn)H2O2要求，常常需要在陰極附近曝空氣或氧氣。以碳?xì)譃槔陉帢O偏壓-0.65V的條件下，需要0.4L / min的純氧曝氣量，才能獲得較好的H2O2產(chǎn)出。所以開發(fā)一種產(chǎn)H2O2電流效率高，曝氣量少或應(yīng)用空氣作為曝氣條件的氣體擴散陰極，運行方便，節(jié)約成本，具有較高的應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是開發(fā)出能夠高效產(chǎn)過氧化氫的空氣擴散陰極。
[0006]本發(fā)明的空氣擴散陰極構(gòu)型包括進、出氣管、導(dǎo)線、密封圓筒，電流收集片、空氣陰極片。
[0007]空氣陰極片制作方法是按照將要涂覆的碳纖維布的表面積(cm2)將質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%-40%的聚四氟乙烯0.06-0.1ml / cm2與2-1Omg / cm2的炭黑混合后涂覆到碳纖維布一面上，待自然晾干后，在300-400°C煅燒30-60min。用同樣的方法將質(zhì)量分?jǐn)?shù)1_3%聚四氟乙烯、5-10%的異丙醇0.12-0.2ml / cm2與3_8mg / cm2炭黑的混合液涂覆到煅燒冷卻后的碳纖維布同一面上晾干，在300-400°C煅燒30_60min。
[0008]本發(fā)明具有以下的突出特點和有益效果:
[0009](I)該空氣擴散陰極可以高效地產(chǎn)生過氧化氫。在電流100mA、pH=7條件下，2h的H2O2 產(chǎn)量高達 500mg / L-600mg / L。
[0010](2)制備的空氣擴散陰極在空氣曝氣量很低(0.2L / min)的情況下也展現(xiàn)出良好的H2O2產(chǎn)率。
[0011](3)選用的電極材料是碳纖維作為基底，涂層炭黑作為催化層，性質(zhì)穩(wěn)定，價格低廉，具有較高的應(yīng)用價值?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0012]圖1為空氣擴散陰極的構(gòu)型圖
[0013]圖2為不同電流強度下空氣擴散陰極的過氧化氫產(chǎn)量和電流效率
[0014]圖3為不同曝氣量下空氣擴散陰極的過氧化氫產(chǎn)量和電流效率
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明通過以下實施例結(jié)合附圖進一步詳述。
[0016](I)本發(fā)明的空氣陰極片的制作方法
[0017]將30%的聚四氟乙烯0.075ml / cm2與6.75mg / cm2炭黑混合后涂覆到碳纖維布(5X8cm2) —面上，待自然晾干后，在350°C煅燒30min。用同樣的方法將含有1.5%聚四氟乙烯、8.3%的異丙醇0.15ml / cm2和4.5mg / cm2炭黑的混合液涂覆到煅燒冷卻后的碳纖維布同一面上晾干，350 °C煅燒30min。
[0018](2)該實例所獲得的效果
[0019]該實例空氣擴散陰極結(jié)構(gòu)，如圖1所示。包括進、出氣管、導(dǎo)線、電流收集(鎳網(wǎng))、空氣陰極片等。將各部分按照圖1所示裝好，就是一個完整的空氣擴散陰極。進氣管供給外來空氣。出氣管防止管內(nèi)壓力過大，從而沖破空氣陰極片的防水層。鎳網(wǎng)有利于電流均勻的分布到空氣陰極片上?？諝怅帢O片的第一層是防水導(dǎo)電層，第二層為催化產(chǎn)H2O2層。
[0020]該實例測試了制作的空氣擴散電極不同電流強度下H2O2的產(chǎn)量和電流效率，如圖2所示。在中性的0.05M無水硫酸鈉電解質(zhì)中，空氣曝氣量0.4L / min，電流強度50mA、100mA、150mA、200mA的條件下，空氣擴散電極的H2O2的產(chǎn)量分別是270mg / L、517mg / L、615mg / L、730mg / L。 其電流效率呈下降趨勢，起始電流效率一般保持在80%以上，經(jīng)過2h的反應(yīng)，電流效率下降到50% -60%。且電流強度高，電流效率相對較低。
[0021]該實例測試了制作的空氣擴散電極不同空氣曝氣量下H2O2的產(chǎn)量和電流效率，如圖3所示。在pH=3的0.05M無水硫酸鈉電解質(zhì)中，電流強度100mA，曝氣量分別為OL /min、0.1L / min、0.2L / min、0.4L / min、0.6L / min 的條件下，空氣擴散電極的 H2O2 的產(chǎn)量分別是 33mg / L、278mg / L、513mg / L、533mg / L、546mg / L。曝氣量為 OL / min 時，H2O2的產(chǎn)量很低，曝氣量為0.1L / min時，H2O2的產(chǎn)量和電流效率相對較低，曝氣量分別為
0.2L / min,0.4L / min,0.6L / min的H2O2的產(chǎn)量差別不大，證明此空氣擴散陰極曝氣量需求低，空氣利用率高。不曝氣時，電流效率很低，在超過0.2L / min的曝氣量時，反應(yīng)2h后，其電流效率一直保持在60 %以上。
[0022]綜上所述，此空氣擴散陰極有良好的H2O2的產(chǎn)量和電流效率；空氣曝氣量需求低，易于實現(xiàn)，能耗??；選用碳纖維和炭黑材料，價格低廉，性質(zhì)穩(wěn)定，具有較高的實際應(yīng)用價值。
【權(quán)利要求】
1.一種高效產(chǎn)過氧化氫的空氣擴散陰極的構(gòu)型和制備方法。 本發(fā)明的空氣擴散陰極構(gòu)型包括進、出氣管、導(dǎo)線、密封圓筒，電流收集片、空氣陰極片。 空氣陰極片制作方法具體操作步驟如下:按照將要涂覆的碳纖維布的表面積(Cm2)將質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%-40%的聚四氟乙烯0.06-0.1ml / cm2與2-1Omg / cm2的炭黑混合后涂覆到碳纖維布一面上，待自然晾干后，在300-400°C煅燒30-60min。用同樣的方法將質(zhì)量分?jǐn)?shù)1-3%聚四氟乙烯、5-10%的異丙醇0.12-0.2ml / cm2與3_8mg / cm2炭黑的混合液涂覆到煅燒冷卻后的碳纖維布同一面上晾干，在300_400°C煅燒30_60min。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述構(gòu)型，其特征在于在密閉的筒狀體中，將空氣陰極片壓到底層，空氣通過電極片的微孔向溶液中擴散。
【文檔編號】C25B11/14GK103695958SQ201310698957
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】周明華, 張超, 于新民, 任更波 申請人:南開大學(xué)