[發明專利]膜氣體擴散電極的制備方法

無效

• 申請號: 02136605.5
• 申請日: 2002-08-22
• 公開（公告）號: CN1396122A
• 公開（公告）日: 2003-02-12
• 發明（設計）人: 申哲民;王文華;賈金平;廖軍
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C02F1/461
• 分類號: C02F1/461;C25B11/06
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 毛翠瑩

技術領域：

本發明涉及一種膜氣體擴散電極的制備方法，用于污水治理，屬于環保節能技術領域。

背景技術：

電化學方法治理污水具有無需添加氧化劑、絮凝劑等化學藥品，設備體積小，占地面積少，操作簡便靈活等優點。但電化學方法多年來存在有能耗大、成本高及存在析氧和析氫等副反應的缺點。這點大大限制了電解處理廢水的實際應用范圍。

目前國內外的研究主要集中在陽極方面，研制了多種形穩電極(DSA)為陽極：Ti/SnO₂，Ti/RuO₂等，并已被應用于廢水處理中。而在陰極間接氧化方面，可以利用氧氣在陰極還原生成雙氧水的作用實現，法國和以色列的科學家Mehmet?A.Oturan等人(Environ.Sci.Technol.2000，Vol.34：3474～3479)，發表陰極氧化的文章，使用碳陰極作為三維氣體擴散電極，實現了陰極對有機物的氧化，如：對-硝基苯酚，其氧化機理為電化學Fenton機理，氧化過程包括開環和脫硝，最后徹底礦化為CO₂，其中間產物有醌類、苯酚類等。但采用的陰極材料為碳纖維，碳纖維存在有質地松散，容易脫落，在反應器中占用空間較大的缺點。張雪英等(電化學，2000，Vol.6，No.3：324～328)采用石墨陰極，以氧氣在陰極還原生成的雙氧水對烯酸進行間接環氧化。平板石墨電極的比表面積小，氧氣在水體中的溶解度很低，因此氧氣還原反應的極化作用很大，陰極生成雙氧水的效率很低，難以在廢水處理領域中實際應用。邵志剛等(電化學，2000，Vol.6，No.3：317～323)采用噴涂方法制備了質子膜燃料電池的電極，這類電極必須采用昂貴的Nafion樹脂，成本高，并且電極反應過程中，氧氣四電子還原過程比例高(產物為水)，不能高效的生成雙氧水。

發明內容：

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種膜氣體擴散電極的制備方法，制備結構緊湊、比表面積大而成本低的膜氣體擴散電極，可用于電化學方法治理污水的陰極，提高污水電解處理的效率和降低電解處理的能耗。

為實現這樣的目的，本發明的技術方案中，采用C、Ag、Ni、Cu、Fe、Ti等元素的一種或幾種材料作為擴散層材料，采用Pt、Au、Ru、W、Mn、V、Ti等元素的材料或其氧化物作為催化材料，采用涂層和壓膜等手段進行擴散電極的制備。膜氣體擴散電極主要由導電骨架、擴散催化層組成，擴散催化層是最為重要的一層，其中的催化材料對整個反應的進行起到了決定性的作用，而且也可以將催化材料分散到擴散層之中，催化材料能提高氧氣電還原過程的二電子過程的比例(產物為雙氧水)，提高雙氧水生產的電流效率。

具體制備方法按如下步驟進行：

1、制作導電和支持骨架。將導電和支持骨架按質量比3％～60％摻入聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)乳液，乳液中PTFE的質量百分含量為60％，在80～100℃烘干1至2小時，以除去有機溶劑及表面活性劑。然后在高于200℃以上溫度條件下熱處理2～6小時，使聚四氟乙烯軟化以使其均勻的分布在導電和支持骨架表面，制成疏水的導電和支持骨架。

本發明采用C、Fe、Ag、W、Mn、Ni、Cu等元素的材料或其合金作為導電和支持骨架的材料。

2、擴散催化層的制備：將擴散層材料按質量比與30～60％的聚四氟乙烯乳液充分混合，乳液中PTFE的質量百分含量為60％，加入5％～60％的造孔劑，并加入10％～70％無水乙醇，以改善碳黑的親水性，并加入0.001mg～2mg/g的催化材料，超聲波振蕩使其混合均勻。放置2～35小時使其成粘稠的糊狀，然后在機械等壓力作用下，壓制成緊密的膜層。

本發明采用C、Ag、Ni、Cu、Fe、Ti等元素的一種或幾種材料作為擴散層材料，采用Pt、Au、Ru、W、Mn、V、Ti等元素的材料或其氧化物作為催化材料，采用草酸銨、甲酸銨、乙酸銨、硝酸銨、尿素等加熱完全揮發物質作為造孔劑。

3、將導電和支持骨架與擴散催化層膜在機械等壓力作用下壓在一起，就制成了膜電極。