[发明专利]一种用于氧的阴极还原的石墨-合金复合型电催化剂

说明书

本发明涉及一种用于氧的阴极还原的石墨‑合金复合型电催化剂。该催化剂以价格低、化学稳定性高的纳米石墨为基体，以对氧阴极还原为过氧化氢具有高选择性、高活性的汞系合金为第二组元，构成纳米石墨‑合金插层结构电催化剂，利用石墨层的“包夹”作用实现汞系合金的稳定化、纳米化，从而解决高活性、高选择性的汞系合金电催化剂存在的流失问题并降低其使用成本。本发明提出的催化剂可作为阴极催化剂应用于过氧化氢电化学合成、有机污水的电化学处理等领域。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，特别地涉及一种用于氧还原的电催化剂。

背景技术

氧的阴极还原是一类重要的电化学反应，按单元反应中转移的电子数进行区分，主要可分为四电子氧还原反应(4e-ORR)和二电子氧还原反应(2e-ORR)。其中，四电子氧还原反应，按是否经历过氧化态中间产物过程，又可分为串联四电子反应路径和直接四电子反应路径。上述各过程涉及的反应式如下所示：

酸性或中性环境

串联4e-ORR:O2+2H++2e-→H2O2，H2O2+2H++2e-→2H2O

直接4e-ORR:O2+4H++4e-→2H2O

2e-ORR:O2+2H++2e-→H2O2

碱性环境

串联4e-ORR:O2+H2O+2e-→HO2-+OH-，HO2-+H2O+2e-→3OH-

直接4e-ORR:O2+2H2O+4e-→4OH-

2e-ORR:O2+H2O+2e-→HO2-+OH-

多年来，针对燃料电池这一重要应用背景，国内外学者对四电子氧还原反应进行了广泛、深入的研究，显示出了氧还原反应在燃料电池技术上的重要价值和地位。在上述研究过程中，使氧经直接四电子氧还原路径高效地转化为水(酸性电池)或氢氧根离子(碱性电池)是研究者努力的目标，而二电子氧还原反应以及四电子氧还原反应中的“串联四电子反应路径”，由于其产物或过渡态中间产物过氧化氢(碱性条件下以HO2-形式存在)对电解质膜等关键材料有加速降解作用，一直都被当作“副反应”对待。

然而，近年来，随着科学技术的发展和学科间交流合作的加强，二电子氧还原反应的研究意义正在被重新审视。在高浓度有机废水处理方面，新兴的电化学高级氧化技术(EC-AOPs,Electrochemical Advanced Oxidation Processes)正是利用二电子氧还原反应原位合成过氧化氢，继而与Fe2+作用形成氧化能力仅次于F2的羟基自由基(·OH)，从而实现对各种有机污染物无选择性的高效氧化去除。与传统的H2O2/Fe2+体系相比，EC-AOPs解决了Fe2+氧化损耗问题。与其他氧化技术相比，EC-AOPs具有方法简单、快速、常温常压操作以及环境绿色性等特点，特别适用于处理工业上有毒、可生化性差的有机废水。氯碱工业一直有“电老虎”之称，据当前技术水平，以2011年我国烧碱产量及总发电量作为依据，可推算出氯碱工业中仅电解段耗电量就占据了全国总发电量的近2％。当前，氧阴极技术正在氯碱工业上进行推广，而如果能够使氧阴极上发生二电子氧还原反应，那么，氯碱工业将不仅仅降低了能耗，同时还可获得高附加值的过氧化氢原料，可谓一举两得。此外，在氧碘化学激光器原料再生、过氧化氢电化学合成、造纸等多个领域，二电子氧还原反应亦具有重要的应用前景。