[发明专利]一种用于电催化产过氧化氢的碳基非对称润湿性复合阴极的制备方法及应用

说明书

本发明公开一种绿色可循环利用的一种高活性低廉催化剂负载三维多孔高氧传输碳基基底的非对称润湿性复合阴极的制备方法及应用。以廉价商业催化剂(如炭黑、活性炭、乙炔黑和石墨粉)等中的一种通过粘结剂涂覆到碳基基底上制成非对称润湿性复合电极，可应用于电化学反应器中，通过电催化氧还原生产碱性过氧化氢，属于电催化材料应用领域。本发明的目的是要解决目前大多数电催化产过氧化氢的阴极制备过程繁琐复杂，成本高昂，传质效率低的问题，本发明的有益效果是：工艺简单，制备电极具有较高的过氧化氢产率和较低的电能耗，成本低廉，将此作为电化学反应阴极，于反应器内连续生产可用于纸浆漂白的过氧化氢浓度，具有较好的发展前景。

技术领域

本发明涉及一种高性能电催化产过氧化氢的碳基非对称润湿性复合电极的制备方法，具体是高活性低廉催化剂(碳纳米管、石墨烯、炭黑、活性炭和石墨粉任意一种)负载三维多孔高氧传输碳基基底的非对称润湿性复合电极的制备方法及应用于电化学反应器生产过氧化氢的研究，属于电催化材料应用领域。

背景技术

过氧化氢(H₂O₂)是一种高效无害无残留的环境友好的氧化剂，广泛用于纸浆漂白、化工合成、纺织和废水处理等工业领域。但现在工业上大规模生产H₂O₂的生产方式主要依靠能源密集型的蒽醌工艺，蒽醌法由于其步骤繁琐，需要大规模的设备，而且能耗高，且在生产过程中会产生致癌物，此外H₂O₂的不稳定性给运输带来了安全问题，所以不符合绿色化学的要求，因此，一种绿色高效低成本的双氧水生产方法亟待开发。

关于电化学氧还原反应(ORR)生成H₂O₂的发展使得现场生产H₂O₂和设备小型化提供了一条有吸引力的途径，而且氧还原法具有自动化程度高、风险小、反应条件温和、环境友好等优点受到越来越多的关注，这种电化学选择性氧还原反应产H₂O₂的方案可以有效地解决蒽醌法所面临的的问题。目前高效氧还原产生H₂O₂的催化剂大部分为贵金属催化剂，但是地球储量低和价格昂贵的特点限制了其规模化应用，与贵金属相比，碳基材料价格低廉、来源丰富、环境友好且具有可微调的独特的表面和结构性能，被认为是H₂O₂电化学合成中替代贵金属的最有前景的材料家族。碳毡是一种典型的三维结构电极，具有高比表面积、高电导率接近金属。此外，其化学稳定性好(在强酸/碱条件下具有较好稳定性)、具有整体结构，易于加工和规模化，且成本低廉，是一种极具潜力的碳基电极材料，马军等发明的一种高效产过氧化氢的三维碳曝气电极，选用商业化的石墨毡作为电化学阴极，含氧气体通过若干根软管进入到三维碳电极的三维孔道内，并由三维碳电极的三维孔道向外部进行扩散，进入到反应装置的电解液中，最后通过电催化产H₂O₂，虽然增大了氧传质，但是O₂的利用效率极低，导致生产过程中的能源浪费，且电催化生成的H₂O₂浓度较低(专利号CN110408955 A)。崔屹等通过碳催化剂的表面氧化来提高用于H₂O₂生产的碳材料的活性和选择性，在氧化市售的碳纳米管之后用于电催化产H₂O₂，但是该制备方法耗时长，且在制备中使用浓硝酸存在很大的安全隐患，在实际应用过程中提高成本(专利号CN111465718 A)。周明华等人发明提出了一种空气主动扩散式过氧化氢电化学发生装置，具有高效节能的特点，但是在反应器的一侧内壁镂空，镂空处放置电极构成密闭反应空间可能会在一定程度上电解液渗透，不能稳定的生产H₂O₂(专利号CN109913889 B)。

综上所述，目前碳基电极的制备方法与应用存在以下缺点：(1)催化材料来源单一，价格昂贵，在一定程度上增加实际应用成本；(2)制备工艺复杂，容易造成二次污染；(3)通常需要复杂装置且长期稳定性差。

发明内容