一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法

摘要

一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法，首先用活性焦、导电剂及PTFE制备催化膜，其次用Na2SO4和PTFE制备防水透气层，再将防水透气层、催化膜、不锈钢网按顺序冷压成电极，嵌入上端留有进气口的圆柱空腔，制得气体扩散电极。将其组装入电解槽中，以直流电源供电并向气体扩散电极通入O2，便可持续制备高浓度过氧化氢。与传统基于溶解氧电还原合成过氧化氢的方法相比，本发明可获得更高浓度的过氧化氢；与基于高成本、未商业化催化材料制备气体扩散的技术相比，本发明使用廉价活性焦为催化材料，制得的电极成本更低、易规模化。本发明制得的过氧化氢可用于难降解有毒污水的处理、消毒杀菌、烟气净化等不同应用场景。

说明书

技术领域

本发明属于绿色氧化剂过氧化氢电化学合成及污水处理领域，具体涉及一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法。

背景技术

过氧化氢(过氧化氢)是世界上100种最重要的化学品之一，广泛应用于化学合成、环境修复(如废水处理、土壤修复、气体净化)、医疗消毒、半导体清洗，甚至可作为过氧化氢燃料电池的潜在能量载体。根据全球工业分析师公司的一份报告，到2024年，全球过氧化氢的年消耗量预计将达到600万公吨。目前，全球95％以上的过氧化氢生产是通过多步蒽醌氧化法(AO)生产。然而，AO工艺需要大量的基础设施和密集的能源投入，并且只能在集中的工厂中进行。实际上，较低浓度的过氧化氢已能满足各种各样的应用。例如，纸浆漂白、医疗消毒和化妆品用途仅要求过氧化氢浓度<9wt％，对于废水处理，仅<0.1wt％就足够了。当前，各种小规模、可分布式生产过氧化氢的技术，正被不断开发，如H

开发经济、高效、高选择性、高活性、高稳定性的电催化剂是实现过氧化氢高效电化学生产的关键。贵金属和合金(如Pt、Pd-Hg、Pt-Hg、Ag-Hg)虽被证明具有优异的催化性能，但成本高、无法规模化应用。碳质电催化剂因其无毒、导电、耐化学和高度可调特性而受到特别关注。目前，除了石墨毡、碳毡、碳气凝胶、网状玻璃碳等常用的碳材料外，其它高效的非常规纳米碳电催化剂如氧化处理的碳纳米管、还原石墨烯氧化物、硼氮共掺杂纳米碳、Fe-O-C、Co-N-C、富含边缘缺陷的纳米碳等，均被报道具有极高的O

另一方面，电催化剂合成过氧化氢的动力学特性，还受到室温和压力下(约8mg/L)水溶液中氧溶解度较低的限制。为解决这一制约，气体扩散电极(GDEs)结构被提出。该电极内部可形成一个气-液-固界面，允许氧气从外部提供到催化剂表面而不需要在电解液中溶解。最近的各种研究都通过使用GDEs获得了较高的过氧化氢合成性能。考虑到O

发明内容

本发明的目的是为了解决传统蒽醌法制备过氧化氢过程存在能耗高、污染大，且合成的高浓度过氧化氢在运输途中存在爆炸风险，以及基于O

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法，所述方法具体步骤为：

步骤一：称取粒径在80～100目的活性焦粉末，并与乙炔黑混合，控制混合物中活性焦粉末的质量百分比为10～90％，然后加入95％乙醇及60％PTFE乳液，在80℃水浴条件下搅拌至糊团状；所述混合物、乙醇和PTFE乳液的混合比例为0.5～2g：0.5～2mL：50～200μL；

步骤二：将混合物研磨成厚度为0.5～1mm的薄片，用作催化膜；

步骤三：取研细后的Na

步骤四：将防水透气层、催化膜、不锈钢网分别裁剪成直径为2～5cm的圆片，并按顺序在室温条件下在20～50MPa压力下压成电极；

步骤五：将电极在沸水中煮至无SO

步骤六：将气体扩散阴极与阳极组装入电解槽中，保持电解液处于搅拌状态，并保持气体扩散阴极上端进气口以100～500mL/min的流量通入空气或氧气，使电解槽在恒压或恒流模式下运行合成过氧化氢。

本发明相对于现有技术的有益效果为：针对气体扩散电极使用的催化剂材料存在成本高、难规模化利用的问题，利用廉价的活性焦为碳基催化材料，制备高性能活性焦基气体扩散电极。本发明具有材料廉价、制备流程简单、易规模化等优势。

附图说明

图1为不同电流大小条件下活性焦基气体扩散电极合成过氧化氢的产量对比图；

图2为不同电解液pH条件下活性焦基气体扩散电极合成过氧化氢的产量对比图；

图3为不同O

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

活性焦是一种可工业化大规模生产的碳材料，已成功用于烟气脱硫技术，获得超过95％的效率。活性焦具有强度高、催化活性好、抗氧化性强、孔结构发达等特点。以下性质使其有望成为生产过氧化氢的催化材料：(1)导电性。活性焦的碳含量大于95％，以非晶态碳的形式存在；(2)富含氧官能团。可作为氧还原的活性位点从而提高其催化活性；(3)孔隙结构发达。多孔结构可暴露更多的反应活性位点，显著影响物质传递。若能利用已规模化应用的活性焦作为催化材料，并将其组装成高性能的气体扩散电极，则有望实现过氧化氢的低成本高效合成。

本发明以活性焦为催化材料，将其磨成细粉后与导电剂、粘结剂制成催化膜；以造孔剂Na

具体实施方式一：本实施方式记载的是一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法，利用廉价活性焦为碳基催化剂，制备气体扩散电极，高效电合成过氧化氢，所述方法具体步骤为：

步骤一：称取粒径在80～100目的活性焦粉末，并与乙炔黑混合，控制混合物中活性焦粉末的质量百分比为10～90％，然后加入95％乙醇及60％PTFE乳液，在80℃水浴条件下搅拌至糊团状；所述混合物、乙醇和PTFE乳液的混合比例为0.5～2g：0.5～2mL：50～200μL；

步骤二：用玛瑙研钵将混合物研磨成厚度为0.5～1mm的薄片，用作催化膜；

步骤三：取研细后的Na

步骤四：将防水透气层、催化膜、不锈钢网分别裁剪成直径为2～5cm的圆片，并按顺序在室温条件下在20～50MPa压力下压成电极；

步骤五：将电极在沸水中煮至无SO

步骤六：将气体扩散阴极与阳极组装入电解槽中，保持电解液处于搅拌状态，并保持气体扩散阴极上端进气口以100～500mL/min的流量通入空气或氧气，使电解槽在恒压或恒流模式下运行，活性焦基气体扩散电极可持续合成过氧化氢。

具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法，步骤六中，所述阳极为Ti基混合金属氧化物电极。该混合金属氧化物阳极具有良好的析氧性能，产生的O

具体实施方式三：具体实施方式二所述的一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法，步骤六中，所述金属氧化物IrO

具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法，步骤六中，所述电解液的浓度为50～200mM的Na

具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法，步骤六中，搅拌速率为50～500rpm，以保证溶液体系的高效传质。

具体实施方式六：具体实施方式二所述的一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法，步骤六中，电流大小为50～200mA，槽电压大小为3～5V。该参数可实现高效的过氧化氢电合成，同时避免过高电流或电压条件下过氧化氢存在的无效分解问题。

实施例1：

称取0.9g粒径在80～100目的活性焦粉末，并与0.1g乙炔黑混合于烧杯中；加入1mL95％乙醇及100μL浓度为60wt％的PTFE，在水浴条件下搅拌至糊团状；用玛瑙研磨将混合物研磨成厚度约为1mm的薄片，用作催化膜。取100mg研细后的Na

实施例2：

称取0.9g粒径在80～100目的活性焦粉末，并与0.1g乙炔黑混合于烧杯中；加入2mL95％乙醇及100μL浓度为60wt％的PTFE，在水浴条件下搅拌至糊团状；用玛瑙研磨将混合物研磨成厚度约为1mm的薄片，用作催化膜。取100mg研细后的Na

实施例3：

称取0.9g粒径在80～100目的活性焦粉末，并与0.1g乙炔黑混合于烧杯中；加入0.5mL 95％乙醇及100μL浓度为60wt％的PTFE，在水浴条件下搅拌至糊团状；用玛瑙研磨将混合物研磨成厚度约为1mm的薄片，用作催化膜。取50mg研细后的Na

实施例4：

称取0.9g粒径在80～100目的活性焦粉末，并与0.1g乙炔黑混合于烧杯中；加入1mL95％乙醇及100μL浓度为60wt％的PTFE，在水浴条件下搅拌至糊团状；用玛瑙研磨将混合物研磨成厚度约为1mm的薄片，用作催化膜。取100mg研细后的Na

以上内容仅为说明本发明专利的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明专利提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。