一种高导电性能的碳毡电极材料

本发明属于电化学领域，涉及用碳毡做电极的电化学反应范畴。

背景技术：

电芬顿是一种绿色环保的高级氧化技术，原理是通过电化学作用持续产生芬顿试剂:亚铁离子和过氧化氢，如下列方程式(1)和方程式(2)，其中关键技术是阴极生产h2o2的能力。

阴极反应：o2+2h⁺+2e^-→h2o2(1)

阳极反应：fe-2e^-→fe²⁺(2)

目前电芬顿阴极常用的电极有金属电极、碳材料电极、三维电极和气体扩散电极。贵金属催化剂(如pt-hg合金、pd-hg合金)具有良好的导电性、化学稳定性以及催化活性，但价格昂贵，限制了其应用。研究表明碳材料，如炭毡、活性炭纤维(acf)、网状玻璃碳(rvc)、碳海绵和碳纳米管等，容易吸附氧气，并将阴极表面溶解氧还原为过氧化氢，具有良好的电催化活性，因此在电芬顿中普遍用作阴极材料。但是碳毡的导电性能较差，抑制了它的电化学反应效能。用电沉积法将铜通过电镀方法固定到碳毡表面能够提高碳毡的导电性，但是该方法经过我们的验证发现生产过氧化氢效率反而降低了，有可能是因为表面镀上的铜阻碍了氧气的吸附，并且随着使用时间的延长，铜屑有脱落的现象。另外这种方法还有工艺繁琐，能耗大的问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，提高碳毡电极的导电性，并提高生产过氧化氢效率，避免铜屑脱落和影响碳毡表面的吸附能力，本发明提供了一种高导电性能的碳毡电极材料，在碳毡中插入铜丝，按照截面上每35～65mm²碳毡中插入一根的方式，在碳毡中平行排布若干铜丝；所述的铜丝直径为1～2mm。插入位置优选碳毡的中间层。

所述的碳毡也可以用活性炭纤维(acf)、网状玻璃碳(rvc)、碳海绵等碳材料替代，在其中夹入一定比例的金属导线，也能提高其导电性，却不影响其表面吸附性能。

利用此夹入铜丝的碳毡作为电芬顿的阴极，在同样电解条件下，由于碳毡导电性能提高，过氧化氢产量较未插入铜丝前提高了33.9％-57.1％。

本发明的优点在于：

(1)本发明在不影响碳材料对氧气的吸附能力的前提下，提高了碳阴极材料的导电性，提高了电化学反应活性，增加了阴极过氧化氢产量，。

(2)在碳毡中插入铜丝这种方法操作简单，结实耐用，不存在铜脱落的问题。在制造碳材料时就夹入一定比例的铜丝也是一种简便易行、成本低廉的操作方法。

附图说明

图1碳毡电极材料夹入铜导线结构示意图；

附图标记：1-碳毡，2-铜丝

具体实施方式

下面以具体实施例的形式对本发明技术方案做进一步解释和说明。

实施例1

如图1所示，本实施例中炭毡规格为100mm×80mm×5mm，铜丝的规格为80mm×ф1～2mm，在碳毡中间位置平行插入铜丝，铜丝按照每间隔7～13mm插入一根的方式布置；得到所述碳毡电极材料。

实施例2：

使用同样结构、规格的电解槽和电极，以铁为阳极，炭毡为阴极(100mm×80mm×5mm)。实验条件：电解液体积为1l的50mmol/lna2so4水溶液，初始ph值3.0，极板间距2cm、电流强度150ma、曝气量42ml/min、预曝气15分钟，温度25±3℃时，反应30分钟后。用掺氮碳纳米管不加铜丝的炭毡为阴极，h2o2浓度为689.1mg/l。

将此碳毡夹进铜丝后(每间隔8mm夹一根ф1mm铜丝)，在同样设备和反应条件下，再重新经过一次30分钟的电化学反应，h2o2浓度为923.1mg/l，过氧化氢产量较未插入铜丝前提高了33.96％。

实施例3：

使用同样结构、规格的电解槽和电极，以铁为阳极，炭毡为阴极(100mm×80mm×5mm)。实验条件：电解液体积为1l的50mmol/lna2so4水溶液，初始ph值3.0，极板间距2cm、电流强度150ma、曝气量42ml/min、预曝气15分钟，温度25±3℃时，反应30分钟后。用掺硼碳纳米管不加铜丝的炭毡为阴极，h2o2浓度为631.8mg/l。

将此碳毡夹进铜丝后(每间隔10mm夹一根ф1mm铜丝)，在同样设备和反应条件下，再重新经过一次30分钟的电化学反应，h2o2浓度为989.8mg/l，过氧化氢产量较未插入铜丝前提高了56.66％。

实施例4：

使用同样结构、规格的电解槽和电极，以铁为阳极，炭毡为阴极(100mm×80mm×5mm)。实验条件：电解液体积为1l的50mmol/lna2so4水溶液，初始ph值3.0，极板间距2cm、电流强度150ma、曝气量42ml/min、预曝气15分钟，温度25±3℃时，反应20分钟后。用掺硼氮碳纳米管不加铜丝的炭毡为阴极，h2o2浓度为309.4mg/l。

将此碳毡夹进铜丝后（每间隔12mm夹一根ф1mm铜丝），在同样设备和反应条件下，再重新经过一次20分钟的电化学反应，h2o2浓度为486.2mg/l，过氧化氢产量较未插入铜丝前提高了57.14%。

技术特征：

1.一种高导电性能的碳毡电极材料，其特征在于，该材料由在碳毡中插入铜丝，按照截面上每35~65mm²碳毡中插入一根的方式，在碳毡中平行排布若干铜丝。

2.根据权利要求1所述的高导电性能的碳毡电极材料，其特征在于，所述的铜丝直径为1～2mm。

3.根据权利要求1或2所述的高导电性能的碳毡电极材料，其特征在于，铜丝设置在碳毡的中间层。

4.根据权利要求1或2所述的高导电性能的碳毡电极材料，所述的碳毡可以用活性炭纤维、网状玻璃碳或碳海绵替代。

技术总结
本发明公开了一种高导电性能的碳毡电极材料，属于电化学领域，本发明在碳毡中插入铜丝，按照截面上每35～65mm2碳毡中插入一根的方式，在碳毡中平行排布若干铜丝；提高了碳毡中的导电性能，提高生产过氧化氢效率，该方法能够克服用电沉积法将铜通过电镀方法覆盖在碳毡表面，影响了氧气的吸附而降低生产过氧化氢效率的问题，避免铜屑脱落、工艺繁琐，能耗大的问题。

技术研发人员：孙旭辉;刘桓宇;郭子嘉;张海丰
受保护的技术使用者：东北电力大学
技术研发日：2021.04.28
技术公布日：2021.08.20