[发明专利]一种电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法及其产品和应用

说明书

本发明公开了一种电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法及其产品和应用，以碳化钨作为改性前驱体，利用二氧化碳高温掺氧，在碳化钨表面引入特定的含氧官能团，本发明使用过渡金属碳化物作为前驱体通过对其进行表面改性来结合过渡金属及含氧官能团，采用了不同的处理方法对材料进行对比，在大量的实验的基础上得到了性能最优的催化剂。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法及其产品和应用。

背景技术

过氧化氢(H₂O₂)是一种多功能的、环境友好的氧化剂，具有广泛的工业及家庭用途，如纸张漂白、废水处理、化学合成和杀菌消毒等。除了这些熟知的应用外，H₂O₂还是一种绿色的能源载体，它通过放热化学分解可以释放出96kJ mol^-1的能量，并只会产生水和氧气两种副产物。这种可控的过氧化氢分解方式允许它在不同的场景中将化学能转化为动能，包括火箭和赛车的推进剂、类人机器人的燃料和自推进粒子等。2015年H₂O₂产量超过500万吨，说明了其在世界工业应用中的重要性。

目前，全球95％以上的H₂O₂来源于蒽醌的自氧化，这一过程需要使用贵金属催化剂，并用液一液萃取方法分离出过氧化氢，该过程耗能极大，只有在大型化工厂才可用。而蒽醌工艺在通常情况下生产的H₂O₂是高度浓缩的，这在稳定性、储存、运输和稀释等方面存在安全风险。其次，在蒽醌过程中，H₂O₂是在碱性溶液中产生的，众所周知这可以加速其分解为水。因此，为了提高其在运输过程中的稳定性，需要使用稳定剂来减缓其分解作用，而后续去除这些添加剂既昂贵又耗费时间。基于上述缺点，工业界和学术界都应该大力发展更清洁、更安全、更高效的过氧化氢生产方法。

最近，通过氧还原的电化学策略为现场生产H₂O₂提供了一条很有吸引力的路线，因为它可以有效的解决与蒽醌法和氢氧直接合成法相关的问题。此外，氧气电化学还原法能与可再生能源耦合，因此可以在偏远地区使用。其反应的过程十分柔和，原料是廉价易得的空气，消耗的电能也可以通过风力、太阳能等清洁可再生能源产生，并且只会产生水一种副产物对环境非常友好。所以，电催化氧还原制备H₂O₂成为了当下的一个十分火热的话题。在电化学制备H₂O₂的过程中，二电子氧还原的催化剂起着至关重要的作用。其中贵金属催化剂活性高，选择性强，但是贵金属的储备在我们地球上是十分有限的，所以导致了昂贵的价格，这也进一步遏制了贵金属的广泛应用，其次碳基催化剂也是研究较多的一类催化剂，但目前存在活性低、稳定性差等问题。所以开发一种价格低廉且能够广泛应用的二电子氧还原催化剂便十分重要。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

作为本发明其中一个方面，本发明提供一种电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法：以碳化钨作为改性前驱体，利用二氧化碳高温掺氧，在碳化钨表面引入特定的含氧官能团。

作为本发明所述的电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法的一种优选方案：将碳化钨在管式炉中通入二氧化碳并加热，加热至温度为300～600℃。

作为本发明所述的电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法的一种优选方案：加热时间为60～120min。

作为本发明所述的电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法的一种优选方案：所述二氧化碳的流通速率为60mL/min。