專利名稱：一種高效電催化原位生成過氧化氫的電化學(xué)反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)反應(yīng)器，涉及到一種新型高效電催化原位生成過氧化氫的電化
學(xué)反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
過氧化氫是一種環(huán)境友好的強(qiáng)氧化劑、化學(xué)漂白試劑，同時(shí)是一系列重要的過氧化物的源頭產(chǎn)品。隨著環(huán)保要求的提高，它廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、電子、環(huán)保等領(lǐng)域，正取代傳統(tǒng)的重鉻酸鉀、高錳酸鉀成為一種新興的"清潔氧化劑"，越來越受到人們的關(guān)注。通常使用的過氧化氫是由化學(xué)蒽醌法生產(chǎn)的，此法以含2-乙基蒽醌的有機(jī)溶劑為工作液，通入氫氣、氧氣，在氫醌與醌之間進(jìn)行循環(huán)，并水解得到過氧化氫。但該法產(chǎn)品中殘留的烷基蒽醌，限制了成品過氧化氫濃度的提高；單元操作多，生產(chǎn)成本高；而且過程中使用了多種高毒性有機(jī)原料和溶劑，副產(chǎn)物包括三氯甲烷、二噁英等有機(jī)致癌物質(zhì)。因此，發(fā)展一種生產(chǎn)過氧化氫的綠色合成工藝已經(jīng)勢(shì)在必行。由氫氧直接合成過氧化氫的研究引起人們的關(guān)注。但此法采用貴金屬催化劑，極易引起爆炸，安全性差，限制了其應(yīng)用。自20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外廣泛開展了原位電化學(xué)氧還原合成過氧化氫的研究。目前用于電化學(xué)氧還原生成過氧化氫的反應(yīng)器形式主要有壓濾式或板框式電解槽；顆粒電極的固定床和流化床電解槽。這些電解槽按其中的電極形狀可分為板式和顆粒床形式。電極材料一般采用石墨、玻璃碳、碳聚四氟乙烯。在這些反應(yīng)器的應(yīng)用中存在的主要問題是，對(duì)于前一種類型的反應(yīng)器來說，氧的傳質(zhì)效果差，電流效率低，過氧化氫生成速率低；對(duì)于后一種類型的反應(yīng)器來說，雖然傳質(zhì)效果得到改善，但生成的過氧化氫會(huì)在陰極表面進(jìn)一步分解，從而使溶液主體的發(fā)生量受到影響。電催化合成過氧化氫是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種綠色合成工藝，電化學(xué)合成的成本還是有待降低。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合納米技術(shù)和燃料電池電極制備技術(shù)，一種環(huán)境友好的制備方法一一燃料電池型反應(yīng)器合成過氧化氫被提出，其具有綠色、
節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，吸引了廣大國內(nèi)外科研人員對(duì)其進(jìn)行研究，并且隨著國家對(duì)能源環(huán)境問題的重視，許多企業(yè)也對(duì)此項(xiàng)技術(shù)十分關(guān)注，但是關(guān)于這種反應(yīng)器的詳細(xì)報(bào)道卻很少見。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高效電催化原位生成過氧化氫的電化學(xué)反應(yīng)器，在采用
負(fù)載有高效催化劑的氣體擴(kuò)散電極及反應(yīng)器的合理設(shè)計(jì)來提高電化學(xué)催化原位高效生成
過氧化氫的電流效率和生成量，從而降低能耗。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為 —種高效電催化生成過氧化氫的電化學(xué)反應(yīng)器，包括電解池和恒壓電源；
所述電解池從左到右依次由陰極端板、陰極氣體擴(kuò)散電極、陰極室、離子交換膜、陽極室、陽極氣體擴(kuò)散電極、陽極端板疊加而成，陰極端板和陽極端板分別與恒壓電源的負(fù)極和正極電連接； 在陰極端板和陽極端板的外側(cè)壁上均設(shè)置有進(jìn)氣口和出氣口 ，而在陰極端板和陽
3極端板靠近電極的一側(cè)設(shè)有流場(chǎng)；所述陰、陽極氣體擴(kuò)散電極由碳紙上負(fù)載(如表面噴涂)有陰、陽極反應(yīng)所需的用于生成過氧化氫的電催化劑構(gòu)成，以促進(jìn)陰、陽極電極反應(yīng)的進(jìn)行；于陰、陽極室中盛放有電解反應(yīng)所需的電解質(zhì)溶液； 于陽極室上端和下端分別開有用于更換反應(yīng)所需電解質(zhì)的小孔，以維持反應(yīng)的高效進(jìn)行；陰極室上端或下端開有小孔，平時(shí)密閉，當(dāng)取樣或者產(chǎn)物的濃度達(dá)到要求時(shí)打開，取出過氧化氫水溶液。 所述陰極端板和陽極端板采用不銹鋼、鍍金或鍍銀的不銹鋼板制成，其起到輸送、分配反應(yīng)氣體和集流的作用；于所述陰極端板的進(jìn)氣口通入氧氣，于陽極端板的進(jìn)氣口通入氫氣；反應(yīng)電解質(zhì)即可以是酸性，也可以是堿性電解質(zhì)水溶液；陽極室上端或下端的小孔經(jīng)由一循環(huán)泵與外界的電解質(zhì)儲(chǔ)槽相連通，使電解質(zhì)可以循環(huán)，以維持反應(yīng)所需的電解質(zhì)的濃度在一個(gè)較高恒定的值；所述陰極室和陽極室均為徑向周邊密封的硅橡膠槽，其內(nèi)盛放有電解質(zhì)水溶液。 本發(fā)明陰、陽極分開，在氣體擴(kuò)散電極和固體聚合物電解質(zhì)膜之間為液態(tài)電解質(zhì)，有別于現(xiàn)在質(zhì)子交換膜燃料電池中所用的氣體擴(kuò)散電極三合一組件；該裝置還可以以壓濾機(jī)的形式進(jìn)行組裝，由多個(gè)重復(fù)的這樣反應(yīng)單元組成，可以有效的節(jié)省空間，同時(shí)方便進(jìn)行產(chǎn)量的放大。該裝置既可以通過外加電壓，以電解池的形式生產(chǎn)過氧化氫；也可以通過采用高效的催化劑，通過自身反應(yīng)來驅(qū)動(dòng)來生產(chǎn)過氧化氫。
本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn) 1)采用金屬端板在輸送、分配氣體的同時(shí)，還起到集流的作用，簡化了反應(yīng)器的裝配。 2)采用負(fù)載有催化劑的氣體擴(kuò)散電極，增加了催化劑的利用率，有效的增加了氣體、液體、固體的三相反應(yīng)界面，提高了反應(yīng)速度。 3)本裝置陰、陽極分開，在氣體擴(kuò)散電極和固體聚合物電解質(zhì)膜之間為液態(tài)電解質(zhì)，有別于現(xiàn)在質(zhì)子交換膜燃料電池中所用的氣體擴(kuò)散電極三合一組件；陰、陽極腔采用惰性物質(zhì)，為陰、陽極反應(yīng)所需的電解質(zhì)提供了存儲(chǔ)場(chǎng)所；同時(shí)陰極反應(yīng)所產(chǎn)生的過氧化氫能夠迅速的轉(zhuǎn)移到陰極電解質(zhì)中，有利于濃度的提高；同時(shí)在陰陽極開孔，可以同過循環(huán)泵維持兩腔內(nèi)的電解質(zhì)在一定的濃度，使反應(yīng)一直維持在高效狀態(tài)。 4)反應(yīng)介質(zhì)可以根據(jù)實(shí)際需要，裝置本身對(duì)介質(zhì)的酸、堿性不作規(guī)定。5)反應(yīng)
器被固體聚合物電解質(zhì)膜所隔離，因此底物不會(huì)在同樣的催化位點(diǎn)發(fā)生競(jìng)爭，爆炸危險(xiǎn)減
少，安全性提高，反應(yīng)器體積小，產(chǎn)物能被簡單地從反應(yīng)物中分離。 6)電化學(xué)反應(yīng)器可操作的溫度遠(yuǎn)低于常規(guī)的催化過程的溫度。 7)過程的選擇性主要通過改變外電阻或外加電源來改變電極電勢(shì)或者通過改變
電極的催化劑來實(shí)現(xiàn)?？梢允┘油怆妷?，在電解池中發(fā)生電解反應(yīng)；也可以由自身的電化學(xué)
反應(yīng)來驅(qū)動(dòng)，在電解池中發(fā)生原電池反應(yīng)。 8)本反應(yīng)裝置即可以單個(gè)放大，也可以通過壓濾機(jī)的形式組裝，由多個(gè)重復(fù)的這樣反應(yīng)單元組成，可以有效的節(jié)省空間，以適應(yīng)生產(chǎn)擴(kuò)大的需求。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖之一。
圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖之二。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。 該電化學(xué)反應(yīng)其有以下主要部分組成(l)陰、陽端板一側(cè)具有進(jìn)氣端口和出氣 端口，靠近電極的另一次具有流場(chǎng)，起到輸送、分配反應(yīng)氣體和集流的作用，一般采用經(jīng)過 特殊防蝕處理的不銹鋼或鍍金不銹鋼或鍍銀不銹鋼，能夠耐受強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的腐蝕，在靠近氣 體擴(kuò)散電極的一側(cè)為加工一定流型的流場(chǎng)，有效的分散氣體；(2)陰、陽極氣體擴(kuò)散電極， 基底為憎水化處理的碳紙或碳布，催化層為一切有催化能力的催化劑，通過噴涂，涂布、濺 射或其它已知的制備氣體擴(kuò)散電極的方法制備而成。陽極活性物質(zhì)一般采用高比表面積的 碳載鉑或者鉑黑，陰極為活性炭，碳黑，聚丙烯腈，碳納米管，石墨，部分石墨化的高比面積 的活性炭，碳纖維，Au/C，或Pd/C或它們的混合物。(3)陰、陽極室，一般為化學(xué)惰性物質(zhì)， 且易加工，包括聚四氟乙烯或硅橡膠材料制成，可以根據(jù)反應(yīng)體系的不同采用酸性電解質(zhì) 或堿性電解質(zhì)，同時(shí)腔體上下開孔，可以通過泵有效的循環(huán)電解質(zhì)，使電解質(zhì)的濃度維持在 一定值，增大導(dǎo)電能力，同時(shí)方便采樣，檢測(cè)產(chǎn)物的濃度。(4)聚合物電解質(zhì)膜，耐酸堿腐蝕， 允許陽離子通過，阻止陰離子通過，可以有效的把陰、陽極反應(yīng)隔開，一般為陽離子交換膜， 如商品化的Nafion系列膜和其它陽離子交換膜。 該反應(yīng)器有為兩腔反應(yīng)體系和外電路組成，兩腔反應(yīng)體系中間為固體聚合物電解 質(zhì)膜，可以把陰、陽極反應(yīng)隔開。兩腔反應(yīng)體系從左至右主要有1陰極端板，2陰極氣體擴(kuò) 散電極，3陰極室，4離子交換膜，5陽極室，6陽極擴(kuò)散電極，7陽極端板組成；外電路由電流 表，電壓表和可變電阻器組成。陰、陽端板一側(cè)具有進(jìn)氣端口和出氣端口，靠近電極的另一 側(cè)有流場(chǎng)，起到輸送、分配反應(yīng)氣體和集流的作用。陰、陽極氣體擴(kuò)散電極本身負(fù)載有陰、陽 極反應(yīng)的電催化劑，可以利用氣體擴(kuò)散電極的優(yōu)點(diǎn)，提供更多的三相反應(yīng)界面，提供更多的 反應(yīng)活性位點(diǎn)。陰極腔、陽極腔中分別用于盛放陰極，陽極反應(yīng)的電解質(zhì)。反應(yīng)時(shí)，通過循 環(huán)泵分別向陰、陽極反應(yīng)腔泵入所需的電解質(zhì)，如K0H溶液，NaOH溶液。通過陰、陽極端板的 進(jìn)氣口分別向陰、陽極輸送02、112。通過調(diào)節(jié)可變電阻器來調(diào)節(jié)電流，調(diào)節(jié)反應(yīng)的速度。該 裝置還可以以壓濾機(jī)的形式進(jìn)行組裝，由多個(gè)重復(fù)的這樣反應(yīng)單元組成，可以有效的節(jié)省 空間，同時(shí)方便進(jìn)行產(chǎn)量的放大。該裝置既可以通過外加電源，以電解池的形式生產(chǎn)過氧化 氫；也可以通過采用高效的催化劑，通過自身反應(yīng)來驅(qū)動(dòng)來生產(chǎn)過氧化氫。
實(shí)施例1 制備鉑載量為0. 5mg/cm2的陽極氣體擴(kuò)散電極和部分石墨化的XC-72的氣體擴(kuò)散 電極。分別把陽極氣體電極，Nafionll7膜，陰極擴(kuò)散電極裝入電池。配置2Mol/L的NaOH 溶液，分別把電解質(zhì)溶液注入到陰、陽極反應(yīng)室。陰、陽極分別通入02、 4，流量均為80mL/ min，控制電池的溫度在O度左右，以短路的形式放電，如圖l，兩個(gè)小時(shí)后得到在陰極側(cè)得 到過氧化氫的濃度為2%，最大電流密度為50mA/cm2。
實(shí)施例2 制備鉑載量為0. 5mg/cm2的陽極氣體擴(kuò)散電極和部分石墨化的XC-72的氣體擴(kuò)散 電極。分別把陽極氣體電極，Nafionll7膜，陰極擴(kuò)散電極裝入電池。配置2Mol/L的Na0H 溶液，分別把電解質(zhì)溶液注入到陰、陽極反應(yīng)腔。陰、陽極分別通入02、H2，流量均為80mL/min，控制電池的溫度在O度左右。通過外電路給反應(yīng)器兩端施加1V的電壓，如圖2，兩個(gè)小 時(shí)后得到在陰極側(cè)得到過氧化氫的濃度為4%，最大電流密度為100mA/cm2。
權(quán)利要求
一種高效電催化原位生成過氧化氫的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于包括電解池和恒壓電源，所述電解池從左到右依次由陰極端板(1)、陰極氣體擴(kuò)散電極(2)、陰極室(3)、離子交換膜(4)、陽極室(5)、陽極氣體擴(kuò)散電極(6)、陽極端板(7)疊加而成，陰極端板(1)和陽極端板(7)分別與恒壓電源的負(fù)極和正極電連接；在陰極端板(1)和陽極端板(7)的外側(cè)壁上均設(shè)置有進(jìn)氣口和出氣口，而在陰極端板(1)和陽極端板(7)靠近電極的一側(cè)設(shè)有流場(chǎng)；所述陰、陽極氣體擴(kuò)散電極由碳紙上負(fù)載有陰、陽極反應(yīng)所需的用于生成過氧化氫的電催化劑構(gòu)成，以促進(jìn)陰、陽極電極反應(yīng)的進(jìn)行；于陰、陽極室中盛放有電解反應(yīng)所需的電解質(zhì)溶液；于陽極室上端和下端分別開有用于更換反應(yīng)所需電解質(zhì)的小孔，以維持反應(yīng)的高效進(jìn)行；陰極室上端或下端開有小孔，平時(shí)密閉，當(dāng)取樣或者產(chǎn)物的濃度達(dá)到要求時(shí)打開，取出過氧化氫水溶液。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于所述陰極端板(1)和陽極端板(7)采用不銹鋼、鍍金或鍍銀的不銹鋼板制成，其起到輸送、分配反應(yīng)氣體和集流的作用。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于于所述陰極端板(1)的進(jìn)氣口通入氧氣，于陽極端板(7)的進(jìn)氣口通入氫氣；反應(yīng)電解質(zhì)即可以是酸性，也可以是堿性電解質(zhì)水溶液。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于陽極室上端或下端的小孔經(jīng)由一循環(huán)泵與外界的電解質(zhì)儲(chǔ)槽相連通，使電解質(zhì)可以循環(huán)，以維持反應(yīng)所需的電解質(zhì)的濃度在一個(gè)較高恒定的值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于所述陰極室(3)和陽極室(5)均為徑向周邊密封的硅橡膠槽，其內(nèi)盛放有電解質(zhì)水溶液。
全文摘要
一種高效電催化原位生成過氧化氫的電化學(xué)反應(yīng)器，該反應(yīng)器由兩腔反應(yīng)體系和外電路組成；兩腔反應(yīng)體系中間為固體聚合物電解質(zhì)膜，可以把陰、陽極反應(yīng)隔開。兩腔反應(yīng)體系從左至右主要有陰極端板，陰極氣體擴(kuò)散電極，陰極室，離子交換膜，陽極室，陽極擴(kuò)散電極，陽極端板組成；外電路由電流表，電壓表和可變電阻器組成。該反應(yīng)器利用了負(fù)載有催化劑的氣體擴(kuò)散電極，有效的提高了三相反應(yīng)界面，提高了反應(yīng)速率；同時(shí)陰陽極室中用于盛放參加反應(yīng)的電解質(zhì)，可以快速的使反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散到溶液中，有利于反應(yīng)產(chǎn)物的富集，提高反應(yīng)產(chǎn)物的濃度，通過調(diào)節(jié)可變電阻器來調(diào)節(jié)電流，調(diào)節(jié)反應(yīng)的速度；陰、陽極電解質(zhì)可以通過循環(huán)泵循環(huán)，維持體系比較高的電導(dǎo)率，使電極反應(yīng)維持在高的反應(yīng)速率。
文檔編號(hào)C25B1/00GK101748423SQ200810229979
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者俞紅梅, 張新衛(wèi), 朱紅, 衣寶廉, 邵志剛 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所