一种基于双功能催化剂的便携式过氧化氢反应器及其制备方法

1.本发明涉及一种基于双功能催化剂的便携式过氧化氢反应器及其制备方法，涉及过氧化氢生产技术及装置领域。


背景技术：

2.过氧化氢（h2o2）是世界上最重要的100种化学物质之一，以其强氧化能力和无二次污染的特点，在纺织、印染、医药、消毒等领域发挥着非常重要的作用。过氧化氢在环境中可自行分解成氧气和水，无残留毒性，并且不会对环境造成二次污染，因此被称为“最清洁的消毒剂”。作为一种绿色氧化剂，其需求量巨大，并且每年都在增加。如今过氧化氢行业年产值接近40亿美元，预计到2023年将达到60亿美元。目前，世界上约95%的过氧化氢是由蒽醌法生产的。蒽醌法需要复杂和大型的设备、昂贵的钯催化剂，并产生大量的化学废物并且其储存和运输也有爆炸的危险。
3.电催化氧还原反应(orr)通过两个电子(2e
−
)途径生成h2o2，为获得h2o2提供了一条经济、安全、环保的途径。在常温常压下，o2在阴极上选择性地电化学还原为h2o2。这种方法使用空气中的o2和h2o作为唯一的原料，不会产生有害的副产品。尽管电化学合成h2o2具有许多潜在的优势，但由于许多电极材料倾向于生成h2o（4e
−
orr），而不是生成h2o2（2e
− orr），从而降低h2o2的产率。
4.此外，二电子电催化氧还原反应生成过氧化氢通常需要消耗大量的电力能源，步骤繁琐，不利于其在偏远地区实现过氧化氢生产。因此，需要找到一种简单、低成本、便携式的h2o2合成技术或装置。可以实现在不发达地区或日常生活中的过氧化氢生产消毒。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种基于双功能催化剂的便携式过氧化氢反应器及其制备方法。
6.本发明利用oer和2e
−
orr的双功能催化剂简化过氧化氢反应器的复杂性，降低生产成本。催化剂在阳极电解池可以降低整体反应的电位并且产生大量氧气。在非常低的电池电压下，催化剂在阴极电解池可以产生过氧化氢。此外，氧气可以在阳极电解池产生，理论上无需额外的氧气流向阴极室就可以连续制备过氧化氢，形成“自给自足”的便携式过氧化氢生产反应器，可以在偏远地区或日常生活中实现低成本、低能耗的过氧化氢生产。本发明通过以下技术方案实现。
7.一种基于双功能催化剂的便携式过氧化氢反应器，包括阳极电解池1、阴极电解池2、阳极电解电极夹3、阴极电解电极夹4、阳极工作电极5、阴极工作电极6、气体出气管7、质子交换膜8、电解池塞9、气体连接管10、螺丝11、电极连接装置12和供电电源13；阳极电解池1和阴极电解池2通过质子交换膜8隔离，并采用螺丝11进行密封连接；阳极电解池1和阴极电解池2内部均设有电解液，阳极电解池1一端端面设有电极夹入口，另一端端面设有换液
口和氧气出气口，阳极电解池1电极夹入口上安装阳极电解电极夹3；阴极电解池2一端设有电极夹入口和氧气进气口，阴极电解池2另一端端面设有换液口和余气出气口，阴极电解池2电极夹入口上安装阴极电解电极夹4，阳极电解池1的氧气出气口通过气体连接管10连通阴极电解池2的氧气进气口，余气出气口连接气体出气管7；换液口在工作时用电解池塞9进行密封，阳极电解电极夹3连接阳极工作电极5，阴极电解电极夹4连接阴极工作电极6，阳极电解电极夹4和阴极电解电极夹5顶部分别通过电极连接装置12连接供电电源13的正极和负极；阳极工作电极5、阴极工作电极6表面均涂覆有双功能催化剂。
8.所述电解液为koh、h2so4、naso4、k2co3或khco3。
9.阳极电解池1和阴极电解池2中电解液体积为电解池体积的三分之二。
10.所述阳极工作电极5、阴极工作电极6基底为泡沫铜、泡沫镍、碳纸、玻碳或者硅片。
11.所述气体连接管10在阳极电解池1中不接触电解液，在阴极电解池2浸没在电解液中1-5cm。
12.所述供电电源13为1-2节1.5v的干电池或锂离子电池。
13.所述阴极电解池2氧气进气口能连接其他通氧装置或者通氧管道。
14.一种双功能催化剂的制备方法，其步骤包括：步骤1、将六水硝酸镍、九水硝酸铁和尿素按照摩尔比1：1：10均匀混合，加入去离子水，搅拌形成黄色透明溶液；步骤2、将泡沫镍用0.5m h2so4溶液超声清洗半小时，并用去离子水清洗干净，进行干燥得到洗干净的泡沫镍；步骤3、将步骤1得到的黄色透明溶液和步骤2洗干净的泡沫镍转移到聚四氟乙烯反应釜中密封，在100-130℃下反应10-12小时，然后自然冷却到室温得到以泡沫镍为基底的nife-ldh催化剂和nife-ldh纳米颗粒催化剂。
15.所述步骤3中以泡沫镍为基底的nife-ldh催化剂在65℃下干燥6小时，得到阳极催化剂nife-ldh@nf。
16.所述步骤3中nife-ldh纳米颗粒催化剂用去离子水和乙醇清洗，过滤干燥得到阴极催化剂nife-ldh。
17.涂覆有nife-ldh双功能催化剂的阴极工作电极6制备方法，该阴极工作电极6以碳纸为基底，将10mg阴极催化剂nife-ldh催化剂里添加在50ul 5%的nafion溶液和950ul的去离子水，随后水浴超声处理分散均匀成悬浮液；将50ul悬浮液滴加到经过表面清洁处理的1*3cm碳纸上，催化剂均匀负载在面积为1cm2碳纸上；所述催化剂的含量为0.2mg cm
−2。
18.本发明的有益效果是：本发明的基于双功能催化剂的便携式过氧化氢反应器是一种设计简单更节能安全的便携式过氧化氢发生装置，利用oer和2e
−
orr双功能催化剂简化过氧化氢反应器的复杂性，降低生产成本；双功能催化剂不但在阳极室可以降低整体反应的电位并且产生大量氧气。同时，双功能催化剂在阴极室可以产生过氧化氢。理论上无需额外的氧气流向阴极室就可以连续制备过氧化氢，形成“自给自足”的便携式过氧化氢生产反应器，仅需1-2节电池便可实现氧还原电化学反应生成过氧化氢，解决过氧化氢运输和储存的安全性和经济性问题，可以在偏远地区或日常生活中实现低成本、低能耗的过氧化氢生产。在日常生活和生产活动中立即生产和使用过氧化氢，扩展了过氧化氢用于家庭和公共场所污染物消毒的范
围。
附图说明
19.图1是本发明实施例1的基于双功能催化剂的便携式过氧化氢反应器装置的结构拆解示意图；图2是本发明实施例1的基于双功能催化剂的便携式过氧化氢反应器装置的结构组合示意图；图3是本发明实施例1的基于双功能催化剂的便携式过氧化氢反应器装置在实验室简单配置实物图；图4是本发明实施例1制备得到的nife-ldh纳米颗粒催化剂的xrd衍射图谱；图5是本发明实施例1制备得到的nife-ldh纳米颗粒催化剂在1um、500 nm和200 nm下的场发射扫描电镜（fesem）图；图6是本发明实施例1制备得到的nife-ldh纳米颗粒催化剂在1 nm下的高分辨透射电镜（hrtem）图；图7是本发明实施例1制备得到的nife-ldh纳米颗粒催化剂的o 1s的高分辨率x射线光电子能谱（xps）图谱；图8是本发明实施例1制备得到的nife-ldh纳米颗粒催化剂的ni 2p的高分辨率x射线光电子能谱（xps）图谱；图9是本发明实施例1制备得到的nife-ldh纳米颗粒催化剂的fe 2p的高分辨率x射线光电子能谱（xps）图谱；图10是本发明实施例1制备得到的以泡沫镍为基底的nife-ldh催化剂在1m koh、室温条件下的ir校正极化曲线；图11是本发明实施例1制备得到的以泡沫镍为基底的nife-ldh催化剂在电催化析氧反应时的塔菲尔曲线图；图12是本发明实施例1制备得到的nife-ldh纳米颗粒催化剂在氧气饱和，0.1 m koh条件下的极化曲线图；图13是本发明实施例1制备得到的nife-ldh纳米颗粒催化剂在氧气饱和，0.1 m koh以及0.1v vs. rhe条件下对过氧化氢表现出的选择性图；图14是本发明实施例1制备得到的nife-ldh纳米颗粒催化剂在氧气饱和，0.1 m koh以及0.1v vs. rhe条件下的转移电子数图；图15是本发明实施例1的基于双功能催化剂的便携式过氧化氢反应器在连接1.5 v供电电源、阳极电解池和阴极电解池的电解液均为1m koh条件下，阴极电解池在积累12000s后的过氧化氢产率；图1中：1-阳极电解池，2-阴极电解池，3-阳极电解电极夹，4-阴极电解电极夹，5-阳极工作电极，6-阴极工作电极，7-气体出气管，8-质子交换膜，9-电解池塞，10-气体连接管，11-螺丝，12-电极连接装置，13-供电电源。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
21.实施例1该双功能催化剂的制备方法，其步骤包括：步骤1、将六水硝酸镍、九水硝酸铁和尿素按照摩尔比1：1：10均匀混合，加入去离子水，搅拌形成黄色透明溶液；步骤2、将泡沫镍用0.5m h2so4溶液超声清洗半小时，并用去离子水清洗干净，进行干燥得到洗干净的泡沫镍；步骤3、将步骤1得到的黄色透明溶液和步骤2洗干净的泡沫镍转移到聚四氟乙烯反应釜中密封，在100-130℃下反应10-12小时，然后自然冷却到室温得到以泡沫镍为基底的nife-ldh催化剂和nife-ldh纳米颗粒催化剂。
22.所述步骤3中以泡沫镍为基底的nife-ldh催化剂在65℃下干燥6小时，得到阳极催化剂nife-ldh@nf。
23.所述步骤3中nife-ldh纳米颗粒催化剂用去离子水和乙醇清洗，过滤干燥得到阴极催化剂nife-ldh。
24.如图1至3所示，一种基于双功能催化剂的便携式过氧化氢反应器，包括阳极电解池1、阴极电解池2、阳极电解电极夹3、阴极电解电极夹4、阳极工作电极5、阴极工作电极6、气体出气管7、质子交换膜8、电解池塞9、气体连接管10、螺丝11、电极连接装置12和供电电源13；阳极电解池1和阴极电解池2通过质子交换膜8隔离，并采用螺丝11进行密封连接；阳极电解池1和阴极电解池2内部均设有电解液，阳极电解池1一端端面设有电极夹入口，另一端端面设有换液口和氧气出气口，阳极电解池1电极夹入口上安装阳极电解电极夹3；阴极电解池2一端设有电极夹入口和氧气进气口，阴极电解池2另一端端面设有换液口和余气出气口，阴极电解池2电极夹入口上安装阴极电解电极夹4，阳极电解池1的氧气出气口通过气体连接管10连通阴极电解池2的氧气进气口，余气出气口连接气体出气管7；换液口在工作时用电解池塞9进行密封，阳极电解电极夹3连接阳极工作电极5，阴极电解电极夹4连接阴极工作电极6，阳极电解电极夹4和阴极电解电极夹5顶部分别通过电极连接装置12连接供电电源13的正极和负极；阳极工作电极5、阴极工作电极6表面均涂覆有双功能催化剂。
25.其中气体连接管10在阳极电解池1中不接触电解液，在阴极电解池2浸没在电解液中1cm，阳极电解池1和阴极电解池2中电解液体积为电解池体积的三分之二，供电电源13为1节1.5v的干电池；阴极电解池2氧气进气口能连接其他通氧装置或者通氧管道。
26.本实施例得到的阳极催化剂以泡沫镍为基底的nife-ldh催化剂，在1m koh的条件下可显著降低整体反应过电位，使整体反应仅需1节1.5v干电池作为供电电源即可。
27.如图4，用x射线粉末衍射（xrd）对nife-ldh纳米颗粒催化剂进行了表征。可以看出在11.349、22.735、33.458、34.412、38.765、45.985、59.981和61.254处观察到了典型的xrd衍射峰，分别对应于nife-ldh （jcpds：38-0715）的（003）、（006）、（101）、（012）、（015）、（018）、（110）和（113）面。这表明合成的nife-ldh纳米颗粒催化剂具有高结晶度和典型的层状双氢氧化物(或类水滑石化合物)结构特征，即二价和三价阳离子与羟基配位并构成水镁石样主体，表明nife-ldh纳米颗粒催化剂成功制备。如图5，扫描电子显微镜(sem)图像确定nife-ldh纳米颗粒催化剂具有层状结构。如图6，高分辨透射电镜看到nife-ldh纳米颗粒催化剂高度有序的晶格平面，表明良好的结晶度。距离为0.194 nm和0.234 nm的晶格条纹分别对应于nife-ldh@nf的（018）和（015）面。
28.通过xps进一步分析了nife-ldh纳米颗粒催化剂的化学成分和状态。如图7，nife-ldh@nf的高分辨率o1s光谱揭示了四个不同的峰，归因于金属上附着的表面羟基-氧（531.0 ev）、晶格氧（529.8 ev）、与氧空位相关的配位晶格氧（532.3 ev）和吸附氧（532.9 ev）；如图8，nife-ldh@nf高分辨率ni 2p谱显示在ni 2p
3/2
区域，855.4 ev和856.8 ev处的峰分别归因于nio和ni(oh)2的存在；如图9，nife-ldh@nf高分辨率fe 2p谱在fe 2p
3/2
区域，710.2ev和712.5ev处的拟合峰分别归因于feo和feooh的存在。
29.双功能催化剂nife-ldh以泡沫镍为基底作为阳极oer催化剂的应用：通过线性扫描伏安法(lsv)和循环伏安法(cv)测试了样品对于oer反应的电催化性能，测试条件如下:三电极电池体系，氧气饱和的1.0m koh溶液，室温。
30.如图10为以泡沫镍为基底的nife-ldh催化剂在1 mv s
−1的低扫描速率下，通过ir矫正得到了极化曲线。以泡沫镍为基底的nife-ldh催化剂在100ma cm
−2的电流密度下显示出266 mv的超低过电位，这比商业iro2催化剂（452 mv）低得多。以泡沫镍为基底的nife-ldh催化剂优异的oer活性可归因于在oh氧化成o的过程中，fe被氧化成+5价，而ni的价态保持不变，从而稳定了o的吸附。铁的可变化合价和铁与镍的协同作用降低了过电位，形成桥氧作为活性中心。如图11显示基于极化曲线得到的塔菲尔斜率。以泡沫镍为基底的nife-ldh催化剂的tafel斜率(50.86mv dec
−1)低于iro2（101.3mv dec
−1），这表明以泡沫镍为基底的nife-ldh催化剂的oer动力学更快。
31.双功能催化剂nife-ldh作为2e
− orr反应制备过氧化氢催化剂的应用：通过循环伏安法(cv)和线性扫描伏安法(lsv)测试了样品对于2e
−
orr反应的电催化性能，测试条件如下:三电极电池体系，氧气饱和的0.1m koh溶液，室温。
32.首先使用旋转换盘电极来检测了过氧化氢的选择性和活性，在0.1m koh电解液中，将0.2mg cm
−2催化剂沉积在旋转环盘电极的盘电极表面来评价nife-ldh催化剂的2e
−
orr催化性能。如图12，根据极化曲线可以看出nife-ldh在0.01 ma cm
−2的电流密度下具有高的u
disk
为0.69 v vs. rhe，表明对orr具有良好的催化活性。
33.如图13计算了基于负载在rrde盘上的催化剂nife-ldh对h2o2的选择性。在相对于rhe的0.1至0.5 v的宽电势窗口下，nife-ldh的选择性相对稳定在约80%。如图14计算了基于负载在rrde盘上的催化剂nife-ldh的转移电子数，其转移电子数约为2.42，表明在nife-ldh@nf催化剂倾向于合成过氧化氢的2e
−
orr途径，并非合成水的4e
−
orr途径。这是由于nife-ldh独特的层状结构，充分暴露了氧缺陷，ni大量暴露的边缘位能有效抑制h2o2的分解，阻止orr产生h2o。
34.如图15，组装了基于双功能催化剂的便携式过氧化氢反应器，由于装置的密封性不完善等问题，测试全程均通氧气饱和溶液，在供电电源仅为1.5v的干电池的条件下，过氧化氢产率高达83.90 mmol g
−
1 h
−1。表明在实际生产中，nife-ldh对过氧化氢能保持良好的生产能力，并且进一步表明基于nife-ldh催化剂作为双功能催化剂的便携式过氧化氢反应器研发是成功且合理的。
35.实施例2如图1至3所示，该基于双功能催化剂的便携式过氧化氢反应器，包括阳极电解池1、阴极电解池2、阳极电解电极夹3、阴极电解电极夹4、阳极工作电极5、阴极工作电极6、气体出气管7、质子交换膜8、电解池塞9、气体连接管10、螺丝11、电极连接装置12和供电电源
13；阳极电解池1和阴极电解池2通过质子交换膜8隔离，并采用螺丝11进行密封连接；阳极电解池1和阴极电解池2内部均设有电解液，阳极电解池1一端端面设有电极夹入口，另一端端面设有换液口和氧气出气口，阳极电解池1电极夹入口上安装阳极电解电极夹3；阴极电解池2一端设有电极夹入口和氧气进气口，阴极电解池2另一端端面设有换液口和余气出气口，阴极电解池2电极夹入口上安装阴极电解电极夹4，阳极电解池1的氧气出气口通过气体连接管10连通阴极电解池2的氧气进气口，余气出气口连接气体出气管7；换液口在工作时用电解池塞9进行密封，阳极电解电极夹3连接阳极工作电极5，阴极电解电极夹4连接阴极工作电极6，阳极电解电极夹4和阴极电解电极夹5顶部分别通过电极连接装置12连接供电电源13的正极和负极；阳极工作电极5、阴极工作电极6表面均涂覆有双功能催化剂。
36.其中气体连接管10在阳极电解池1中不接触电解液，在阴极电解池2浸没在电解液中3cm，阳极电解池1和阴极电解池2中电解液体积为电解池体积的三分之二，供电电源13为1节1.5v的干电池；阴极电解池2氧气进气口能连接其他通氧装置或者通氧管道。
37.实施例3如图1至3所示，该基于双功能催化剂的便携式过氧化氢反应器，包括阳极电解池1、阴极电解池2、阳极电解电极夹3、阴极电解电极夹4、阳极工作电极5、阴极工作电极6、气体出气管7、质子交换膜8、电解池塞9、气体连接管10、螺丝11、电极连接装置12和供电电源13；阳极电解池1和阴极电解池2通过质子交换膜8隔离，并采用螺丝11进行密封连接；阳极电解池1和阴极电解池2内部均设有电解液，阳极电解池1一端端面设有电极夹入口，另一端端面设有换液口和氧气出气口，阳极电解池1电极夹入口上安装阳极电解电极夹3；阴极电解池2一端设有电极夹入口和氧气进气口，阴极电解池2另一端端面设有换液口和余气出气口，阴极电解池2电极夹入口上安装阴极电解电极夹4，阳极电解池1的氧气出气口通过气体连接管10连通阴极电解池2的氧气进气口，余气出气口连接气体出气管7；换液口在工作时用电解池塞9进行密封，阳极电解电极夹3连接阳极工作电极5，阴极电解电极夹4连接阴极工作电极6，阳极电解电极夹4和阴极电解电极夹5顶部分别通过电极连接装置12连接供电电源13的正极和负极；阳极工作电极5、阴极工作电极6表面均涂覆有双功能催化剂。
38.其中气体连接管10在阳极电解池1中不接触电解液，在阴极电解池2浸没在电解液中5cm，阳极电解池1和阴极电解池2中电解液体积为电解池体积的三分之二，供电电源13为1节1.5v的干电池；阴极电解池2氧气进气口能连接其他通氧装置或者通氧管道。
39.以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。