[发明专利]一种制备臭氧的膜电极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种制备臭氧的膜电极及其制备方法，该膜电极的阳极表面负载有阳极催化剂层，阴极表面负载有阴极催化剂层，阳极催化剂层包括二氧化铅、粘结剂、分散溶剂和表面活性剂，二氧化铅、粘结剂、分散溶剂及表面活性剂的质量比为1：(6～7)：(40～50)：(0.13～0.26)；阳极催化剂层通过转印法负载在质子交换膜一侧；阴极催化剂层包括铂碳、粘结剂和溶剂，阴极催化剂层中铂的负载量为0.5～1mg/cm²，铂碳中的碳含量与粘结剂的质量比为1：(0.5～1)，阴极催化剂层通过喷涂法负载在质子交换膜的另一侧。本发明的膜电极电极性能稳定，应用于臭氧发生器上，仅需提供3.5V电压，即可将水分解为臭氧，效率高，制取速度快。

技术领域

本发明涉及臭氧制备的技术领域，具体涉及一种制备臭氧的膜电极及其制备方法。

背景技术

臭氧又名超氧、强氧、富氧、三子氧。其氧化能力极强，不仅能对固体、液体以及气体样品进行脱臭、脱色、消毒处理，还能应用在水处理、土壤修复等领域。与一些传统的消毒剂相比，采用臭氧作为消毒剂或氧化剂时所产生的二次污染较小，因此臭氧作为安全消毒剂受到广泛的重视。传统制备臭氧的方法有紫外线法、电晕放电法两种。紫外线法因产量极低寿命短，面临淘汰趋势；电晕放电法耗能高、怕潮湿、对运行环境要求高、产生氨氧化合物等二次污染物、设备庞大、操作复杂，生成臭氧浓度低等，是其本身一直无法解决的问题。

采用电解法制备臭氧，原理是通过低压直流电对水进行电解，使水在阳极－溶液界面发生氧化还原反应产生臭氧。其优点是产生臭氧纯度高，不会产生氮氧化物，且耗能低、操作简单、利用率高、环保，因此应用前景非常广阔。

电解法制取臭氧在臭氧发生器中进行，臭氧发生器的主要核心部件是膜电极，膜电极不仅是电子产生和分离的重要场所，同时承载了气体和产物水的传输，对臭氧的产生有十分重要的影响。但是，现有的膜电极，尤其是阳极，因阳极催化剂粒径大，易团聚，难以直接使用机器喷涂上料，使得膜电极的制备较为复杂，且由于现有阴极催化剂的工作机理，在制备臭氧时，阴极会产生副产物氢气。

因此，本领域急需寻找一种性能更加优异、制备更加简单且无氢气产生的膜电极工艺。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种臭氧制备效率高的膜电极。

本申请之目的还在于提供一种膜电极的制备方法。

为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种制备臭氧的膜电极，所述膜电极包括阴极、阳极以及隔膜，所述阳极表面负载有阳极催化剂层，所述阴极表面负载有阴极催化剂层，所述阳极催化剂层包括二氧化铅、粘结剂、分散溶剂和表面活性剂，所述二氧化铅、粘结剂、分散溶剂及表面活性剂的质量比为(5～10)：1：(40～50)：(0.13～0.26)；所述阴极催化剂层包括铂碳、粘结剂和溶剂，所述阴极催化剂层中铂的负载量为0.5～1mg/cm²，所述铂碳中的碳含量与粘结剂的质量比为1：(0.5～1)。现有的膜电极制备工艺中是将阳极催化剂直接涂覆在质子交换膜上，易引起质子交换膜变形，从而导致催化层容易脱附，使得膜电极工作寿命短，严重时还会导致短路。采用上述配方能够使阴阳极催化层在膜上附着更为紧密，不容易脱落，使电解臭氧的过程更为稳定，效率更高。且该配方经过多次试验表现出最佳性能。

在第一方面的一种实施方式中，所述粘结剂为全氟磺酸树脂。全氟磺酸树脂可以有效地粘结催化剂颗粒，使催化剂不易脱落，同时在低压电解水的过程中，全氟磺酸树脂还可以作为质子传输通道，增强质子传输的速度，并对质子交换膜起到保湿作用。

在第一方面的一种实施方式中，所述分散溶剂包括正丙醇和水，其中，所述二氧化铅、正丙醇和水的质量比为(5～10)：(5～10)：(30～45)。分散剂能够使二氧化铅颗粒在溶剂中很好地分散，并防止其沉降和凝聚，而二氧化铅的团聚使得催化剂的有效活性比表面积降低，影响膜电极的稳定性及使用寿命。