一种电化学合成单线态氧的方法及其应用

本发明涉及电化学，尤其是涉及一种电化学合成单线态氧的方法及其应用。

背景技术：

1、单线态氧因其具有相对较长的寿命、对环境基质更强的抗干扰性以及降解副产物的低毒性，目前成为高级氧化技术中极具潜力的活性氧物种。目前合成单线态氧的途径主要有过硫酸盐活化以及过氧化氢活化途径，但其合成单线态氧的过程也伴随着如羟基自由基或硫酸根自由基的产生，单线态氧的纯度较低。另外，额外投加的药剂使得工艺的成本显著增加，其活泼的化学性质也加剧了使用风险，不利于大规模的应用实践。

2、相较于其他方法，电化学还原基态分子氧是一种成本低廉、过程清洁的合成单线态氧技术。其通过直接活化分子氧，无需外界投加化学药剂，减少了运行成本，简化了复杂的反应过程，从而有利于大规模的实用前景。然而，电化学单线态氧合成受到分子氧难以活化，产物选择性低的挑战，严重限制了其实际应用的单线态氧产率。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种电化学合成单线态氧的方法及其应用。本发明的泡沫钛基铁单原子电极(简称“fe1-ti电极”)具有调控电子自旋极化的作用，强化分子氧活化性能，使材料展现出电化学高选择性合成单线态氧以及优异产率。本发明的泡沫钛基铁单原子电极通过强化氧气在电极表面的吸附活化以及中间产物的定向转化过程，解决了电化学氧气活化过程中，活性低、产物杂、耗能高的问题，从而实现高选择性的单线态氧合成；其应用范围广泛，具有广阔的实际落地前景，为单线态氧的电合成及应用提供了一条高效的绿色途径(本发明提供的单线态氧合成方法及应用实例，为气相、液相的有机物降解以及消毒处理提供了可大规模实际应用的策略)。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的第一个目的是提供一种泡沫基铁单原子电极在电化学合成单线态氧中的应用，所述泡沫钛基铁单原子电极中单原子铁的质量占比为0.01％～3.0％。

4、在本发明的一个实施方式中，所述泡沫基铁单原子电极通过下述方法制备得到：

5、将铁盐溶液喷涂至泡沫钛基底表面，红外干燥后置于管式炉内于h2/ar混合气氛下，高温退火处理得到泡沫钛基铁单原子电极。

6、在本发明的一个实施方式中，所述铁盐溶液通过以下方法制备得到：

7、将铁盐前驱体置于溶剂中混匀，得到铁盐溶液。

8、在本发明的一个实施方式中，所述铁盐前驱体选自氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、乙酰丙酮铁等中的一种或几种；所述溶剂选自乙醇、丙酮、水、乙二醇或异丁醇中的一种；

9、铁盐前驱体与溶剂的用量比为1mg～50mg：1ml；

10、优选地，铁盐前驱体与溶剂的用量比为10mg：1ml。

11、在本发明的一个实施方式中，所述泡沫钛基底的面积为4～16cm2，厚度为0.5～2mm；

12、铁盐溶液与泡沫钛基底的用量比为1ml：4～16cm2。

13、在本发明的一个实施方式中，高温退火处理过程中，温度为200℃～500℃，时间为1h～5h；

14、优选地，温度为400℃，时间为3h。

15、本发明的第二个目的是提供一种电化学合成单线态氧的方法，具体包括以下步骤：

16、采用单室电解池的三电极体系，将泡沫钛基铁单原子电极作为工作电极，与参比电极、对电极置于电解液中，电化学合成单线态氧。

17、在本发明的一个实施方式中，所述参比电极选自汞—氧化汞电极、银—氯化银电极、饱和甘汞电极或汞—硫酸亚汞电极中的一种；

18、所述对电极选自铂片电极或钌铱钛电极中的一种。

19、在本发明的一个实施方式中，所述电解液为浓度为0.01mol/l～0.5mol/l的硫酸钠溶液；

20、优选地，所述电解液为浓度为0.05mol/l的硫酸钠溶液。

21、在本发明的一个实施方式中，所述通入电解液的气体为氧气或空气，流量为20～200ml/min。

22、优选地，所述通入电解液的气体为氧气，流量为60ml/min。

23、在本发明的一个实施方式中，电化学合成过程中，电压为-3.0v～-0.2v，反应时间为10min～180min；

24、优选地，电化学合成过程中，电压为-1.0v～-0.4v，反应时间为60min～180min。

25、本发明的第三个目的是提供一种上述方法制备得到的单线态氧。

26、本发明的第四个目的是提供一种单线态氧在降解有机污染物中的应用。

27、本发明的第五个目的是提供一种单线态氧在灭活细菌病毒中的应用。

28、本发明的第六个目的是提供一种单线态氧在去除挥发性有机物中的应用。

29、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

30、(1)本发明泡沫钛基铁单原子电极材料具有优异的活化基态分子氧能力，通过强化氧气在电极表面的吸附活化以及中间产物的定向转化过程，提供了一种绿色友好、高产率以及高选择性的单线态氧电合成方法。

31、(2)本发明泡沫钛基铁单原子电极材料具有高效的单线态氧电合成能力，对污染物降解、室内杀菌消毒以及室内空气净化领域均有着优异的性能表现。因此，泡沫钛基铁单原子电极电化学合成的单线态氧在多领域中均有着广阔的实用前景。

32、(3)本发明铁单原子的构型能够充分利用活性位点，提高原子利用效率和反应活性，减少竞争副反应的发生。

33、(4)本发明泡沫钛基铁单原子电极材料制备工艺便利、成本可控，具有规模化制备应用的潜力。

技术特征：

1.一种泡沫基铁单原子电极在电化学合成单线态氧中的应用，其特征在于，所述泡沫钛基铁单原子电极中单原子铁的质量占比为0.01％～3.0％。

2.根据权利要求1所述的一种泡沫基铁单原子电极在电化学合成单线态氧中的应用，其特征在于，所述泡沫基铁单原子电极通过下述方法制备得到：

3.根据权利要求2所述的一种泡沫基铁单原子电极在电化学合成单线态氧中的应用，其特征在于，所述泡沫钛基底的面积为4～16cm2，厚度为0.5～2mm；

4.一种电化学合成单线态氧的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种电化学合成单线态氧的方法，其特征在于，所述参比电极选自汞—氧化汞电极、银—氯化银电极、饱和甘汞电极或汞—硫酸亚汞电极中的一种；

6.根据权利要求4所述的一种电化学合成单线态氧的方法，其特征在于，电化学合成过程中，电压为-3.0v～-0.2v，反应时间为10min～180min。

7.一种通过权利要求4～6任一所述的方法制备得到的单线态氧。

8.一种如权利要求7所述的单线态氧在降解有机污染物中的应用。

9.一种如权利要求7所述的单线态氧在灭活细菌病毒中的应用。

10.一种如权利要求7所述的单线态氧在去除挥发性有机物中的应用。

技术总结
本发明涉及电化学技术领域，尤其是涉及一种电化学合成单线态氧的方法及其应用。本发明利用泡沫钛基铁单原子电极通过强化氧气在电极表面的吸附活化以及中间产物的定向转化过程，实现了高选择性的单线态氧合成；进一步的，本发明利用泡沫钛基铁单原子电极电化学合成的单线态氧能够应用于有机污染物降解、细菌病毒灭活、挥发性有机物去除等领域，具有广阔的实际落地前景，为单线态氧的电合成及应用提供了一条高效的绿色途径。

技术研发人员：么艳彩,王恺元,张礼知
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22