[发明专利]空气电极及其制备方法

说明书

本公开提供了一种空气电极及其制备方法。空气电极包括：空气扩散层和负载于空气扩散层上的电催化层。其制备方法包括以下步骤：将聚四氟乙烯分散液抽滤至多孔疏水膜表面，得到聚四氟乙烯层；将聚四氟乙烯和炭黑的分散液抽滤至聚四氟乙烯层上，得到聚四氟乙烯和炭黑的第一涂层；将分散均匀的碳纤维分散液抽滤至第一涂层上，得到碳纤维层；将聚四氟乙烯和炭黑的分散液抽滤至碳纤维层上，得到第二涂层；干燥并进行热压处理。本公开以抽滤法将PTFE和炭黑负载于多孔疏水膜上，可获得厚度较小、孔隙率较高的催化层，从而促进氧气传质，进而保证电极可以在高电流密度下稳定运行。

技术领域

本公开涉及电化学技术领域，尤其涉及一种空气电极及其制备方法。

背景技术

过氧化氢(H₂O₂)是化工、纸浆和纺织品漂洗、饮用水和污废水处理、半导体清洗、消毒等领域最常用的药剂之一。目前H₂O₂生产工艺主要采用蒽醌法，市场上95％以上的H₂O₂均由此方法生产。然而，蒽醌法能耗较高，并造成较为严重的环境问题，随着环保要求的提高，电化学方法生产H₂O₂逐渐显现出一定的技术优势，且生产过程绿色无污染，成为具有潜力的H₂O₂生产替代技术之一。

电化学生产H₂O₂技术是使氧气在电解池的阴极以2e^-途径还原，则可生成H₂O₂。由于氧气溶解度较小，并且液相中氧气传质速率较慢，所以H₂O₂的生产速率较低。为了提高氧气传质效率，研发了一种空气电极，可提供气-液-固三相反应界面，提高了H₂O₂的生产效率。目前的空气电极由空气扩散层、导电层和催化层三部分构成，多以PTFE和碳材料的膏状混合物压制于金属网上制备而成。这种空气电极厚度较大，氧气传质阻力依然较大，当电流密度较高时则会出现氧气不足的问题，导致电流效率下降和副反应加剧。已提出了一种空气主动扩散式过氧化氢电化学发生装置，通过提高氧气传输速率，使该装置可在电流密度0～240mA/cm²范围内使用。此外，电极内部存在大孔缺陷，即使在较小电流密度下使用数小时至数百小时亦会发生电极润湿和溢流(指电解质溶液穿透空气电极，渗漏至气相侧)问题，并导致副反应加剧，致使H₂O₂生产效率急剧下降。因此，发明一种可以在高电流密度下长期稳定运行的空气电极对于电化学生产H₂O₂技术具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种空气电极及其制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本公开的一个方面的实施例，提供了一种空气电极，包括：空气扩散层和负载于上述空气扩散层上的电催化层；上述空气扩散层的制备物质包括多孔疏水膜；上述电催化层的制备物质为碳纤维、炭黑、聚四氟乙烯的混合材料。

根据本公开的实施例，上述疏水膜的制备材料包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氯代三氟乙烯(PCTFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(E-CTFE)、聚氟乙烯(PVF)、乙烯-四氟乙烯共聚物(E-TFE)、四氟乙烯-共全氟烷基乙烯醚共聚物(PFA)或氯代三氟乙烯-偏氟乙烯共聚物(CTFE-VDF)中的一种。

根据本公开的实施例，上述多孔疏水膜的平均孔径包括0.05～1μm，孔隙率包括40％～90％，厚度包括20～300μm。

根据本公开的实施例，上述多孔疏水膜的平均孔径包括0.22μm，孔隙率包括75％，厚度包括30μm的无支撑PTFE膜。