[发明专利]一种高效产过氧化氢的空气扩散阴极的构型和制备方法

说明书

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，涉及一种高效产过氧化氢的空气扩散阴极的构型和制备方法。

背景技术

过氧化氢(H₂O₂)的电化学合成，也被称为“电化学过氧化”过程，是一种电化学阴极还原反应，随着电芬顿在水处理方面的发展，H₂O₂的电化学产生也受到广泛关注。其基本原理是溶解氧在阴极表面通过发生两电子的氧化还原产生H₂O₂，反应如下：

O₂+2H⁺+2e^-→H₂O₂

近年来，碳材料越来越多的被作为产生H₂O₂的阴极备选材料，其主要优势包括：良好的化学稳定性、导电性和抗腐蚀性，较高的析氢电位，对H₂O₂的催化分解活性较低，无毒性。目前，已有研究的良好阴极材料包括：石墨、碳毡、活性炭纤维、发泡玻璃碳、碳海绵、碳纳米管等。但以上碳材料在作为阴极时，通常有其最佳的H₂O₂还原电位范围，否则H₂O₂的产量和电流效率就会迅速下降，使得其应用受限。另外，氧气在水中的溶解度较低，往往不能满足阴极还原产H₂O₂要求，常常需要在阴极附近曝空气或氧气。以碳毡为例，在阴极偏压-0.65V的条件下，需要0.4L／min的纯氧曝气量，才能获得较好的H₂O₂产出。所以开发一种产H₂O₂电流效率高，曝气量少或应用空气作为曝气条件的气体扩散阴极，运行方便，节约成本，具有较高的应用价值。

发明内容

本发明的目的是开发出能够高效产过氧化氢的空气扩散阴极。

本发明的空气扩散阴极构型包括进、出气管、导线、密封圆筒，电流收集片、空气阴极片。

空气阴极片制作方法是按照将要涂覆的碳纤维布的表面积(cm²)将质量分数30％-40％的聚四氟乙烯0.06-0.1ml／cm²与2-10mg／cm²的炭黑混合后涂覆到碳纤维布一面上，待自然晾干后，在300-400℃煅烧30-60min。用同样的方法将质量分数1-3％聚四氟乙烯、5-10％的异丙醇0.12-0.2ml／cm²与3-8mg／cm²炭黑的混合液涂覆到煅烧冷却后的碳纤维布同一面上晾干，在300-400℃煅烧30-60min。

本发明具有以下的突出特点和有益效果：

(1)该空气扩散阴极可以高效地产生过氧化氢。在电流100mA、pH=7条件下，2h的H₂O₂产量高达500mg／L-600mg／L。

(2)制备的空气扩散阴极在空气曝气量很低(0.2L／min)的情况下也展现出良好的H₂O₂产率。

(3)选用的电极材料是碳纤维作为基底，涂层炭黑作为催化层，性质稳定，价格低廉，具有较高的应用价值。

附图说明

图1为空气扩散阴极的构型图

图2为不同电流强度下空气扩散阴极的过氧化氢产量和电流效率

图3为不同曝气量下空气扩散阴极的过氧化氢产量和电流效率

具体实施方式

本发明通过以下实施例结合附图进一步详述。

(1)本发明的空气阴极片的制作方法

将30％的聚四氟乙烯0.075ml／cm²与6.75mg／cm²炭黑混合后涂覆到碳纤维布(5×8cm²)一面上，待自然晾干后，在350℃煅烧30min。用同样的方法将含有1.5％聚四氟乙烯、8.3％的异丙醇0.15ml／cm²和4.5mg／cm²炭黑的混合液涂覆到煅烧冷却后的碳纤维布同一面上晾干，350℃煅烧30min。

(2)该实例所获得的效果