[发明专利]一种带悬浮催化层的气体扩散阴极及电化学反应器

说明书

本发明属于环境工程与能源利用领域，公开了一种带悬浮催化层的气体扩散阴极及原位产过氧化氢的电化学反应器，所述气体扩散阴极包括依次设置的扩散层、集流体基底和悬浮催化层；所述原位产过氧化氢电化学反应器包括依次叠合设置的阴极端板、上述所述气体扩散阴极、阴离子交换膜、固态电解质层、阳离子交换膜、铂阳极、阳极端板；所述气体扩散阴极和铂阳极分别通过导线与电源的负极与正极连接。本发明所述气体扩散阴极创造性的使用了悬浮催化层，有利于加快氧还原的电子转移速率、提高电化学产H₂O₂的效能；本发明反应器在引入上述气体扩散阴极的同时，进一步使用了固态电解质层，确保以更安全、更有效的方式原位产H₂O₂。

技术领域

本发明属于环境工程与能源利用领域，更具体的，涉及一种带悬浮催化层的气体扩散阴极及原位产过氧化氢的电化学反应器。

背景技术

过氧化氢是一种重要的、绿色的化学物质，在化工和环保方面有着广泛的应用。由于其强氧化性，H₂O₂被认为是一种有前途的用于水处理的药剂，常用于高级氧化技术，也可用于饮用水的灭菌消毒。

目前，约95%的商用H₂O₂是通过H₂氢化烷基蒽醌及在有机溶剂中用O₂氧化氢醌的间接蒽醌法制备而成，是一个需要输入大量能量且产生较多废物的多步骤过程。尽管蒽醌工艺能产生高浓度的H₂O₂，但远高于实际水处理所需浓度，其不稳定性给运输、储存过程中带来了较大的安全隐患。以电化学法产H₂O₂则提供了一种较有吸引力的途径，有效解决蒽醌工艺相关的问题。此外，原位电化学法合成的H₂O₂能与可再生能源相结合，用于偏远地区的废水处理。

在电化学原位合成H₂O₂的过程中，催化剂的高活性与选择性起着重要作用。金属基催化剂对于电化学法产具有较高的选择性，但考虑到成本高、部分材料具有毒性等因素，且碳材料所需成本更低，来源丰富，自身具有独特的表面和结构特性，开发碳系材料制备而成的阴极催化剂的需求日益剧增，因此开发一种高效传质的碳系材料气体扩散阴极，并组装到原位产过氧化氢的反应器中，利用生成的H₂O₂投加到高级氧化工艺(AOPs)的反应池中，对于提升降解有机污染物的效率有着较为重要的意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种可高效传质的带悬浮催化层的气体扩散阴极。

本发明的另一目的在于提供一种构型简单、有利于加快氧还原电子转移速率、提高电化学产H₂O₂的浓度的原位产过氧化氢的电化学反应器。

为实现本发明目的，具体方案如下：

一种带悬浮催化层的气体扩散阴极，包括依次设置的扩散层、集流体基底和悬浮催化层；

所述集流体基底为泡沫镍、不锈钢网或者碳毡中的一种；

所述扩散层由炭黑和PTFE乳液按一定比例制成，所述扩散层涂覆在集流体基底的一侧；

所述悬浮催化层的主体为与所述集流体基底另一侧紧挨的有机玻璃板或聚四氟乙烯板，所述悬浮催化层内设有流道一，所述流道一的一侧为集流体基底表面，通过蠕动泵一向所述流道一内持续泵入由碳材料制备而成的悬浮液，所述悬浮液由炭黑、石墨烯、或乙炔黑与超纯水均匀混合后所得悬浮液。

进一步的，所述集流体基底为泡沫镍，泡沫镍的孔隙率为90~98%，孔径为0.2~0.6mm，厚度为0.5~1.5mm，面密度为280~400g/m²。