一种用于原位产过氧化氢和降解有机物的气体扩散阴极及其制备方法

本发明涉及电化学领域，尤其涉及一种用于原位产过氧化氢和降解有机物的气体扩散阴极及其制备方法

背景技术：

1、电芬顿氧化技术是一项联合电催化发展起来的电化学高级氧化技术。电芬顿产生的具有强氧化性的·oh可以将废水中的有机物降解的更彻底，且不易产生有毒的中间产物，因此在许多难降解废水处理研究中得到应用。

2、由于·oh主要是由氧气二电子还原生成的过氧化氢与fe2+反应所得到的，过氧化氢对有机物的降解则显得尤为重要。因此，提高阴极过氧化氢的产生效率是提高有机物降解效率的有效方式之一。气体扩散阴极具有气、液、固三相相互作用构成的多孔网络系统，由催化层、基体和扩散层三部分组成。特有的扩散层结构具有超疏水性，为电解质中氧气的传质提供了良好的迁移转化空间。因此，使用气体扩散阴极可大幅提高电极产过氧化氢的效率。同时，疏水层的形成能够延缓电极的润湿，进而增加电极的稳定性以及其使用寿命。

3、目前，常见的用于产过氧化氢阴极的制备方法包括浸渍、涂敷等方式。这些方法可将催化材料通过粘结剂负载在电极表面，但大多存在催化剂结块、分布不均匀等问题。绝大多数催化材料被包覆在其中只能充当导电基体作用，使得实际参与氧还原反应的催化剂使用量较低。同时，结块的催化剂会堵塞基体的气体传输通道，使得氧气利用率的降低，最终影响过氧化氢产量。因此，增加催化剂分布的均匀性、减少催化剂结块现象的产生对于气体扩散阴极提高其过氧化氢产率来讲具有重大意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有的气体扩散阴极表面负载催化物质结块和分布不均匀而导致的催化剂利用率降低和气体扩散通道被占据的问题，提供了一种用于原位产过氧化氢和降解有机物的气体扩散阴极及其制备方法。采用电沉积法制备气体扩散阴极的催化层，并在另一面浸渍ptfe溶液作为扩散层，经过煅烧后制成以泡沫镍为基体的气体扩散阴极，将其置于侧面曝气的反应器中达到高效产过氧化氢和降解有机物的目的。

2、为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

3、一种用于原位产过氧化氢和降解有机物的气体扩散阴极，其特征在于：包括气体扩散阴极泡沫镍基体(1)和负载在气体扩散阴极泡沫镍基体上的催化层(2)和扩散层(3)；所述泡沫镍基体(1)厚度1-3mm，且依次使用丙酮、稀盐酸、去离子水超声清洗，并干燥；所述催化层(2)前体包含活性组分导电炭黑(4)和疏水材料ptfe(5)；所述扩散层(3)前体包括疏水材料ptfe(5)；所述催化层负载方法为电沉积方法；所述扩散层负载方法为浸渍法。

4、所述的一种用于原位产过氧化氢和降解有机物的气体扩散阴极，其特征在于制备方法包括如下步骤：

5、s1、将0.14g炭黑、7mg十六烷基三甲基溴化铵、7ml异丙醇、0.14ml-0.42ml60wt％的ptfe乳液和63ml去离子水超声20min并搅拌均匀，得到电沉积液；

6、s2、将预处理过的电极放入电沉积液中作为阴极，仅对泡沫镍的基体一侧进行电沉积，沉积时间5min-15min，在90v直流电压下进行；

7、s3、将s2沉积好的电极放入烘箱80℃烘干，烘干后继续进行电沉积；一共进行4-6次沉积；

8、s4、将s3制备好的电极另一侧浸入60wt％的ptfe乳液和水制成的溶液中，60wt％的ptfe乳液与水的体积比为0.1ml：3ml，浸渍3min后放入烘箱中80℃烘干，共浸渍烘干3次；

9、s5、将s4制备好的电极放入马弗炉360℃高温煅烧1小时，退火后得到气体扩散阴极；

10、s6、将制备的气体扩散阴极应用于反应器中高效产过氧化氢和降解有机物。

11、所述的气体扩散阴极的制备方法，其特征在于：步骤s1中，先将炭黑、十六烷基三甲基溴化铵和异丙醇混合超声10min搅拌均匀后；加入去离子水继续超声5min后继续搅匀，最后加入60wt％的ptfe乳液再超声5min并搅匀，得到电沉积液；

12、所述的一种用于原位产过氧化氢和降解有机物的气体扩散阴极原位产过氧化氢的应用，其特征在于包括如下步骤：

13、在ph＝7的0.05m na2so4电解体系中，气体扩散电极作为电化学反应的阴极，且其扩散层紧贴曝气膜放置，催化层直接接触电解液并于阳极相对。整个过程采用侧面曝气方式以0.1-0.5l/min的曝气量为体系提供氧气，在6-10ma/cm2的恒流电下进行原位产过氧化氢的应用。

14、所述的一种用于原位产过氧化氢和降解有机物的气体扩散阴极降解有机物的应用，其特征在于包括如下步骤：

15、在ph＝7的0.05m na2so4+200mg/l富里酸溶液的电解体系中，气体扩散电极作为电化学反应的阴极，且其扩散层紧贴曝气膜放置，催化层直接接触溶液并于阳极相对。整个过程采用侧面曝气方式以0.1-0.5l/min的曝气量为体系提供氧气。电芬顿反应在6-10ma/cm2的恒流电下分别以下面两种方式进行：(1)采用均相反应：投加0.2-0.8mm的fe2+；(2)采用双阴极：在泡沫镍上电沉积10-20mm的cu2+作为另一块阴极。通过以上两种方式进行气体扩散阴极降解有机污染物的应用。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、1.本发明以泡沫镍为基体，可以充分发挥泡沫金属的孔道效应。泡沫结构提供较大比表面积和活性位点，更有助于催化材料的负载和氧气传递，促进氧气二电子还原反应产生过氧化氢。

18、2.通过电沉积的方式在泡沫镍一侧负载炭黑作为催化层。在高压电场中，导电炭黑在十六烷基三甲基溴化铵的协助下，以极小的粒径移至阴极表面，尽可能避免了采用涂敷、浸渍等方法造成的炭黑结块或者分布不均匀的情况。均匀分布的炭黑可提供细密且均匀的气孔道，这将更有利于减小氧气的传质阻力并且增加催化剂和电解质两相间的接触面积。

19、3.采用气体扩散电极作为阴极，构建催化层、泡沫镍基体和扩散层复合阴极。气体扩散阴极中疏水层的构建，不仅可以建立气液固三相反应界面、减少氧气的传质阻力、提高过氧化氢产率并降低能耗，还可以延缓因长时间电解而造成的电极电润湿，进而延长电极的使用寿命。

20、4.采用气体扩散电极作为阴极的前提下，通过投加均相催化剂和实施双阴极等方式，有机物能通过电芬顿反应被有效的降解，实现有机污染物的高效去除。

技术特征：

1.一种用于原位产过氧化氢和降解有机物的气体扩散阴极，其特征在于：包括气体扩散阴极泡沫镍基体(1)和负载在气体扩散阴极泡沫镍基体上的催化层(2)和扩散层(3)；所述泡沫镍基体(1)厚度1-3mm，且依次使用丙酮、稀盐酸、去离子水超声清洗，并干燥；所述催化层(2)前体包含活性组分导电炭黑(4)和疏水材料ptfe(5)；所述扩散层(3)前体包括疏水材料ptfe(5)；所述催化层负载方法为电沉积方法；所述扩散层负载方法为浸渍法。

2.根据权利要求1所述的一种用于原位产过氧化氢和降解有机物的气体扩散阴极，其特征在于制备方法包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的气体扩散阴极的制备方法，其特征在于：步骤s1中，先将炭黑、十六烷基三甲基溴化铵和异丙醇混合超声10min搅拌均匀后；加入去离子水继续超声5min后继续搅匀，最后加入60wt％的ptfe乳液再超声5min并搅匀，得到电沉积液。

4.权利要求1所述的一种用于原位产过氧化氢和降解有机物的气体扩散阴极原位产过氧化氢的应用，其特征在于包括如下步骤：

5.权利要求1所述的一种用于原位产过氧化氢和降解有机物的气体扩散阴极降解有机物的应用，其特征在于包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种用于原位产过氧化氢和降解有机物的气体扩散阴极及其制备方法，属于电化学的技术领域。其中，气体扩散阴极依次由泡沫镍基体、炭黑催化层和扩散层构成。气体扩散阴极的制备包括：将炭黑、十六烷基三甲基溴化铵、异丙醇、60wt％的PTFE乳液和水混合制得电沉积液，在泡沫镍基体一侧采用电沉积的方式负载炭黑制备催化层；在泡沫镍另一侧浸渍PTFE溶液制备扩散层，烘干并煅烧后可制得气体扩散阴极。采用该方式制备电极，其表面催化剂分布更加均匀且能减少基体气道的堵塞。将该气体扩散阴极应用于侧面曝气的反应器中，在中性条件下可高效稳定的生成过氧化氢，在芬顿体系中对富里酸等有机污染物降解效果良好。

技术研发人员：秦侠,刘心睿
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4