[发明专利]一种电极与隔膜零间距的电化学制备过氧化氢装置及其使用方法

说明书

本发明提供了一种电极与隔膜零间距的电化学制备过氧化氢装置及其使用方法。该装置含有阳极腔和阴极腔，其中阳极和阴极用阳离子交换膜隔开。阳极、阴极均采用与氢燃料电池类似的气体扩散电极，阳极的气体扩散电极一侧表面含有铂或铂钌合金催化剂，且该侧直接与阳离子交换膜贴合。阴极的气体扩散电极一侧表面含有碳粉催化剂，且该侧直接与阳离子交换膜贴合。阴极的另一侧与具有一定厚度的刻有气体流场的具有一定孔隙率的导电亲水多孔介质相连。该装置反应气的传质速率高，且传质效果稳定，反应器的性能高。其使用方法为：氢气通入阳极，氧气或者空气通入阴极；阳极与阴极之间接入外部电源，阴极电还原生成的过氧化氢被亲水多孔介质吸收并转移。

技术领域

本发明涉及过氧化氢制备，具体是电极与隔膜零间距的电化学制备过氧化氢装置及其使用方法。

背景技术

过氧化氢是有效的氧化剂，在工业过程中被广泛使用。作为消毒剂，它还被用于纸浆和纸漂白、清洁剂、废水处理、化学合成、纺织工业等。大规模制备的过氧化氢主要采用蒽醌法，这是一种先将氢气还原，随后用氧气氧化的化学方法。作为替代的技术，电解器型方法和燃料电池方法也在有些场合用来制备过氧化氢。这两种方法需要较高的能耗或氢气消耗，而且由于过氧化氢在制备过程中的会被分解成水，或者进一步得到电子变成氢氧根离子，导致过氧化氢的电流效率很低。同时，目前报道的基于酸性溶液或碱性溶液的电化学制备方法，由于液体在电极表面的吸附和阻碍，使得反应气难以进入到催化剂表面，因此反应速率特别低。

专利CN101748423A公开了一种原位生成过氧化氢的电化学反应器，它通过在气体扩散电极与隔膜之间充入液体，使电化学反应生成的过氧化氢在液体腔中累积。该装置存在以下不足：一是电极与阳离子交换膜之间设置了液体腔，因此其内阻较大，且内阻受液体腔中溶液的电导率影响，其波动较大，不利于控制；二是气体扩散电极为多孔电极，液体腔中的液体会填充进入气体扩散电极的孔隙中，使反应气进入电极中催化剂表面的传质阻力增大；此外随着阴阳极腔体中的电解质被消耗，液体腔中的电解质还需要更换，以保持其电导率。专利91102474.3公开了一种改进的电化学制备过氧化氢的方法，通过添加卤素促进了氧的电化学还原，从而提高了过氧化氢的浓度。该方法也是基于溶液浸泡电极，并在液体相中进行氧还原，氧气的传质慢。专利CN1399009A公开了一种强氧化剂的制备工艺，它也是在水溶液电解系统中阴极氧还原得到强氧化剂。

本发明提供了一种电极与隔膜零间距的电化学制备过氧化氢装置及其使用方法，通过在电极表面增加亲水多孔介质，将电池生成的过氧化氢通过毛细力直接吸收、储存或转移，同时在介质与扩散层接触面上预先制备气体流场，使气体传质速率大幅提高，大幅提高电化学氧还原制备过氧化氢的速率。

发明内容

本发明的发明内容如下：

一种电极与隔膜零间距的电化学制备过氧化氢装置，包括由阳离子交换膜隔开的阳极和阴极，阳离子交换膜的一侧设有与其一侧表面相通的阳极腔，阳极置于阳极腔内；

阳极、阴极均采用带催化剂层的氢燃料电池用气体扩散电极；

阳极、阴极分别贴合于阳离子交换膜的二侧表面，阳极和阴极带催化剂层的一侧表面分别面向阳离子交换膜；阴极远离阳离子交换膜的一侧表面贴合有导电亲水多孔介质，于靠近阴极的导电亲水多孔介质表面设有气体流场。

阳极催化剂层采用的氢氧化催化剂为以铂或铂钌合金为活性成份的含有铂或铂钌合金催化剂；阴极催化剂层采用的氧还原催化剂为碳粉催化剂。

阴极采用憎水的气体扩散电极，阴极的气体扩散层表面憎水，且与导电亲水多孔介质相连，且二者之间具有气体流通通道。

所述阴极包括层叠的催化剂层和气体扩散层，所述阴极气体扩散层表面憎水通过在气体扩散层中加入气体扩散层2％-70％重量的PTFE实现。

所述导电亲水多孔介质为亲水多孔网，其材质为碳、镍、钛中的一种。