[发明专利]一种生产高纯度过氧化氢的电解方法

说明书

本发明公开了一种生产高纯度过氧化氢的电解方法，采用氧化物单晶片作为电解槽的阳极材料，碳基材料作为阴极材料，将中性或碱性电解液加入电解槽，并在阴极通入氧气后，在电解槽的阳极和阴极上外加偏压，使阳极发生两电子水氧化反应生成过氧化氢，同时阴极发生氧还原反应生成过氧化氢。与现有技术相比，该方法将在阴极发生的质子还原反应替换为两电子氧还原反应，将氢气直接转化为过氧化氢，解决了副产品氢气的存贮和利用难题；单一目标产物过氧化氢在阳极和阴极同步生成，大幅度提升了产品附加值；利用两电子氧还原反应还进一步降低了外加偏压，提高了电能利用效率。

技术领域

本发明涉及过氧化氢制备技术领域，具体为一种以超纯水和氧气为原料生产高纯度过氧化氢的电解方法。

背景技术

过氧化氢水溶液俗称双氧水，是一种重要的化工原料，具有清洁无污染特性，广泛应用于印染、造纸、环保、食品、化学合成以及半导体等行业。过氧化氢通常分为工业级、食品级、试剂级和电子级，其中超净高纯电子级过氧化氢是半导体技术微细加工制作过程中不可缺少的关键性材料之一，主要用在芯片制造中研磨、氧化、刻蚀以及清洗等工序环节，其纯度严重影响集成电路的电性能、可靠性及成品率。

过氧化氢的工业生产方法有过氧化钡法、过硫酸铵法（电解法）、蒽醌法、异丙醇法以及氧阴极还原法等。其中，蒽醌法是当前国内外主流的工业生产方法，其总化学反应方程为H₂ + O₂ = H₂O₂；其优点是技术成熟，自动化控制程度高，原料成本和能耗较低，适合大规模生产，其缺点是存在原料（主要是氢气）供应瓶颈，生产工艺复杂，产物纯度较低。目前，电子级过氧化氢是以蒽醌法生产的工业级过氧化氢为原料，再利用精馏、离子交换树脂、膜分离以及超临界萃取等技术深度提纯获得。氧阴极还原法是一种电化学方法，在强碱性条件下阳极发生析氧反应（4OH^‒→ O₂ + 2H₂O + 4e^‒），阴极发生两电子氧还原反应（2O₂ + 2H₂O+ 4e^‒→ 2HO₂^‒+ 2OH^‒），总化学反应方程为O₂ + 2OH^‒→ 2HO₂^‒或O₂ + 2H₂O → 2H₂O₂；其优点是电流效率较高、可小规模现场生产，其缺点是阳极催化剂为贵金属Pt、RuO₂等，成本较高，生产的双氧水稳定性差（依据文献为：Gustaaf Goor et al., Hydrogen Peroxide inUllmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, Germany,2019）。

另一种电化学方法，阳极材料采用钒酸铋单晶来最大程度增强水氧化反应的催化活性和选择性，阴极材料采用镍基合金；在碱性条件下，阳极发生两电子水氧化反应（2H₂O→ H₂O₂ + 2H⁺ + 2e^‒），阴极发生析氢反应（2H⁺ + 2e^‒→ H₂），总化学反应方程为2H₂O →H₂O₂ + H₂；由于该水阳极氧化法以钒酸铋单晶为核心催化剂，可以称之为钒酸铋法或单晶电催化法；其优点是电流效率高、成本低、产品纯度高，其缺点是阴极析出的氢气附加值低，并且不便存储和利用（依据文献为：发明人李国岭申请的专利名称为《一种低成本生产高纯度过氧化氢和氢气的电解方法》，专利申请号为201610567960.5的中国发明专利申请）。