析氧反应催化剂的制备以及氧阴极还原法制过氧化氢的研究

摘要

过氧化氢是工业上十分重要的工业原料以及化学试剂，在医疗、食品、化学等多个领域发挥着不可替代的作用。工业生产过氧化氢的方法主要分为蒽醌法、电解法、异丙醇法，目前主要以蒽醌法为主要生产方法。但是过氧化氢存在不宜储藏、难运输等缺点，增加了过氧化氢的应用成本，所以实验中采取氧阴极还原法原位制过氧化氢，解决了不宜储藏、难运输的缺点，直接应用于污水处理等方面。原位制过氧化氢在电解时阳极与阴极分别发生析氧反应（OER）与氧还原反应（ORR），通过制备高效的OER与ORR催化剂，将制备的催化剂应用到原位制过氧化氢装置中，提高过氧化氢产率。本论文研究了镍、铁两种过渡金属纳米复合材料的水热一步合成法的制备，考察了两种金属配比、煅烧温度、煅烧气氛等因素对催化剂形貌、结构及粒径的影响。采用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM ）、X射线光电子能谱（XPS）等表征手段对催化剂进行表征，发现Ni:Fe为1:1且煅烧温度为600℃时催化剂具有更好的结晶性能。通过电化学工作站测试，发现镍铁比为1:1且在600℃氮气气氛保护下煅烧时，所制备的镍铁氧化物催化剂具有更佳的OER反应催化活性，过电位为291 mV，塔菲尔（Tafel）斜率为86 mv·dec-1，当在同样条件下经H2气氛下还原，所制备的镍铁合金催化剂相比镍铁氧化物具有更佳的OER 催化活性，过电位为 258 mV，Tafel 斜率为68mv·dec-1，同时经过30000 s循环催化剂仍较稳定。文中还通过制备ORR催化剂，使催化剂在反应过程中偏向于二电子机理。通过电化学工作站对制备的钴、镍及镍铁催化剂进行测试，通过 K-L 方程计算得到纯镍相催化剂在催化过程中电子转移数 n=2.2，而镍铁合金催化剂 n=3.6，所以纯镍相催化剂在反应过程中更偏向于二电子途径。将制备的催化剂负载在碳布上分别应用于原位制过氧化氢装置中，当阴极使用ORR催化剂时，过氧化氢的产率比相同条件下使用石墨电极的产率提高了三倍左右，在反应时间240 min时过氧化氢浓度达50.18 mg·L-1。在阳极使用OER催化剂时，在相同条件下能产生更多的过氧化氢，与电化学测试结果一致。在反应时间为1000 min时过氧化氢浓度达到55 mg·L-1。接近使用铂电极作为阳极材料时的产率。

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