一种促进H2O2电合成的电极及其制备方法和应用

本发明属于电催化，具体涉及一种促进h2o2电合成的电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、过氧化氢(h2o2)是一种环境友好型氧化剂,在医疗卫生、化学工业和环境治理中得到了广泛的应用。据最新研究预测，到2024年全球对h2o2的需求将达到600万吨。蒽醌氧化法是目前工业生产h2o2的主要方法，但复杂的制备程序、高能耗、大量的副产品废物和运输问题极大限制了该技术的发展。作为替代，基于o2电化学还原反应(oxygen reductionreaction，orr)生产h2o2的技术因其环境友好性和成本效益而引起了人们的极大关注。气体扩散电极是目前扩大固-液-气三相界面提高orr性能的最常见的方法。气相o2通过嗜气气体扩散层从气相输入，通过支撑层到达与电解质对抗的催化层，形成固-液-气三相界面，从而克服溶解氧浓度低的问题。

2、中国发明专利cn110306205a公开了一种气体扩散电极及其制备方法，该气体扩散电极包括气体扩散层、支撑体骨架和催化层三部分，制备过程包括支撑体骨架的预处理、催化材料膏状物的制备和气体扩散电极的制作与成型，该发明制备的气体扩散电极，既具有一定的导电性又可以保持较好的稳定性，不仅仅增大了气、液、固三相界面的接触面积，提高了气体的利用率，同时还具有适合氧阴极还原所需的多孔结构，更有利于氧气的吸附和利用，促使氧阴极还原反应的发生，而且还有利于液相反应物和产物的转移和富集。中国另一发明专利cn108179440a公开了一种气体扩散电极的制备方法及其应用，具体包括：不锈钢网的处理、石墨/聚四氟乙烯糊状物的制备以及气体扩散电极的制作，该发明利用石墨、聚四氟乙烯和不锈钢网制备的气体扩散电极，既具备良好的导电性又可以保持较强的粘结性能，还可以增大气、液、固三相界面，利于气体的扩散；气体扩散电极具有适合氧阴极还原电极所需的多孔结构，有利于吸附更多的氧气，促使氧阴极反应的发生，有利于液相反应物和产物的迁移。然而上述气体扩散电极电极普遍存在制备工艺复杂、长期稳定性较差、氧气利用率低(通常低于1％)等问题，因此，气体扩散电极规模化应用于h2o2电合成仍为挑战。

3、综上，研发一种制备工艺简单、稳定性好，催化剂选择性好的碳电极以h2o2低成本、高效的电化学合成具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种利用ptfe调节界面润湿性的聚丙烯腈基碳纤维(pcf)膜电极(简称为改性pcf膜电极)的制备方法，并将其用于穿透式(flow-through)电化学系统以进一步促进h2o2电合成。本方法仅通过添加少许聚四氟乙烯(ptfe)就可实现电极两侧表面气液润湿状态不同，平衡o2电化学还原反应(orr)过程中的氧气扩散和离子转移，从而极大提升o2在体系内的利用效率，最终实现h2o2低成本、高效的电化学合成。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种改性pcf膜电极的制备方法，所述制备方法包括清洗pcf膜电极，重复进行将聚四氟乙烯溶液润湿pcf膜电极一侧并干燥的操作，加热，即得。

4、优选地，所述pcf膜电极的孔径为50-150μm。

5、优选地，所述清洗pcf膜电极使用超声清洗，所述超声的功率为200-300w，超声的时间为20-40min。

6、优选地，所述清洗pcf膜电极后还进行烘干，所述烘干的温度为40-80℃，烘干的时间为10-30h。

7、优选地，所述重复的次数为2-4次，所述聚四氟乙烯溶液的质量分数为1.5-3.5％。

8、优选地，所述干燥的温度为80-120℃，干燥的时间为1-4min。

9、优选地，所述加热的温度为300-400℃，加热的时间为20-40min。

10、本发明还提供了上述制备方法制备得到的改性pcf膜电极。

11、本发明还提供了上述改性pcf膜电极在制备过氧化氢中的应用。

12、优选地，所述制备过氧化氢的反应膜通量为7-8m3·(m-2·h-1)；曝气量为1-40ml·min-1；电流密度为10-30ma·cm-2；电解质为na2so4，所述na2so4的浓度为80-120mm。

13、本发明还提供了一种电催化反应装置，包括电源(1)、圆柱形反应器(2)、蠕动泵(6)和氧气瓶(7)。

14、优选地，所述圆柱形反应器上、下端分别设置出水口和进水口，出水口和进水口之间连接蠕动泵(6)以调节水体流速。

15、优选地，所述圆柱形反应器内部放置阴极和阳极，阴极位于阳极之上。

16、优选地，所述圆柱形反应器底部放置曝气头，曝气头低于进水口的位置。

17、优选地，所述圆柱形反应器的高为10-40cm，横截面直径为3-6cm，容积为100-500ml。

18、优选地，所述电源的正极和负极分别通过导线与反应器的阳极和阴极连接。

19、优选地，所述阴极和阳极电极间距为0.5-2cm，阴极距离曝气头的位置为5-25cm。

20、优选地，所述曝气头外接氧气瓶。

21、优选地，所述阳极为多孔镀铂钛，所述阴极为改性pcf膜电极。

22、相比现有技术，本发明有益效果：

23、(1)本发明电极制备工艺简单，仅通过单侧添加少许聚四氟乙烯改变电极一侧气液润湿性，就可以实现h2o2的高效生产。

24、(2)相较于其他气体扩散电极，本发明制备的改性pcf膜电极的氧气利用率明显提升，极大改善了氧气溶解率和扩散系数低的限制。

25、(3)本发明制备的改性pcf膜电极稳定性能优异，可以减少更换电极的次数，从而降低生产成本。

技术特征：

1.一种改性pcf膜电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括清洗pcf膜电极，重复进行将聚四氟乙烯溶液润湿pcf膜电极一侧并干燥的操作，加热，即得。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述pcf膜电极的孔径为50-150μm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述清洗pcf膜电极使用超声清洗，所述超声的功率为200-300w，超声的时间为20-40min。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述清洗pcf膜电极后还进行烘干，所述烘干的温度为40-80℃，烘干的时间为10-30h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述重复的次数为2-4次，所述聚四氟乙烯溶液的质量分数为1.5-3.5％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为80-120℃，干燥的时间为1-4min。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加热的温度为300-400℃，加热的时间为20-40min。

8.一种如权利要求1-7任意一项所述的制备方法制备得到的改性pcf膜电极。

9.一种如权利要求1-7任意一项所述的制备方法制备得到的改性pcf膜电极或者权利要求8所述的改性pcf膜电极在制备过氧化氢中的应用。

10.根据权利要求10所述的应用，其特征在于，所述制备过氧化氢的反应膜通量为7-8m3·(m-2·h-1)；曝气量为1-40ml·min-1；电流密度为10-30ma·cm-2；电解质为na2so4，所述na2so4的浓度为80-120mm。

技术总结本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种促进H<subgt;2</subgt;O<subgt;2</subgt;电合成的电极制备方法及应用。该改性PCF膜电极的制备方法包括清洗PCF膜电极，重复进行将聚四氟乙烯溶液润湿PCF膜电极一侧并干燥的操作，加热，即得。本发明电极制备工艺简单，仅通过单侧添加少许聚四氟乙烯改变电极一侧气液润湿性，就可以实现H<subgt;2</subgt;O<subgt;2</subgt;的高效生产，相较于其他气体扩散电极，本发明制备的改性PCF膜电极的氧气利用率明显提升，极大改善了氧气溶解率和扩散系数低的限制，稳定性能优异，可以减少更换电极的次数，从而降低生产成本。技术研发人员：夏伊静,代劲松,朱航,冯华军,胡津飞受保护的技术使用者：浙江工商大学技术研发日：技术公布日：2024/4/29