[發明專利]一種用于氧的陰極還原的石墨-合金復合型電催化劑

有效

• 申請號: 201410788979.3
• 申請日: 2014-12-17
• 公開（公告）號: CN105762375B
• 公開（公告）日: 2018-05-25
• 發明（設計）人: 柯長春;陳文武;劉宇時;王景龍;許曉波;呂國盛
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一種用于氧的陰極還原的石墨?合金復合型電催化劑。該催化劑以價格低、化學穩定性高的納米石墨為基體，以對氧陰極還原為過氧化氫具有高選擇性、高活性的汞系合金為第二組元，構成納米石墨?合金插層結構電催化劑，利用石墨層的“包夾”作用實現汞系合金的穩定化、納米化，從而解決高活性、高選擇性的汞系合金電催化劑存在的流失問題并降低其使用成本。本發明提出的催化劑可作為陰極催化劑應用于過氧化氫電化學合成、有機污水的電化學處理等領域。

技術領域

本發明屬于電催化技術領域，特別地涉及一種用于氧還原的電催化劑。

背景技術

氧的陰極還原是一類重要的電化學反應，按單元反應中轉移的電子數進行區分，主要可分為四電子氧還原反應(4e-ORR)和二電子氧還原反應(2e-ORR)。其中，四電子氧還原反應，按是否經歷過氧化態中間產物過程，又可分為串聯四電子反應路徑和直接四電子反應路徑。上述各過程涉及的反應式如下所示：

酸性或中性環境

串聯4e-ORR:O2+2H++2e-→H2O2，H2O2+2H++2e-→2H2O

直接4e-ORR:O2+4H++4e-→2H2O

2e-ORR:O2+2H++2e-→H2O2

堿性環境

串聯4e-ORR:O2+H2O+2e-→HO2-+OH-，HO2-+H2O+2e-→3OH-

直接4e-ORR:O2+2H2O+4e-→4OH-

2e-ORR:O2+H2O+2e-→HO2-+OH-

多年來，針對燃料電池這一重要應用背景，國內外學者對四電子氧還原反應進行了廣泛、深入的研究，顯示出了氧還原反應在燃料電池技術上的重要價值和地位。在上述研究過程中，使氧經直接四電子氧還原路徑高效地轉化為水(酸性電池)或氫氧根離子(堿性電池)是研究者努力的目標，而二電子氧還原反應以及四電子氧還原反應中的“串聯四電子反應路徑”，由于其產物或過渡態中間產物過氧化氫(堿性條件下以HO2-形式存在)對電解質膜等關鍵材料有加速降解作用，一直都被當作“副反應”對待。

然而，近年來，隨著科學技術的發展和學科間交流合作的加強，二電子氧還原反應的研究意義正在被重新審視。在高濃度有機廢水處理方面，新興的電化學高級氧化技術(EC-AOPs,Electrochemical Advanced Oxidation Processes)正是利用二電子氧還原反應原位合成過氧化氫，繼而與Fe2+作用形成氧化能力僅次于F2的羥基自由基(·OH)，從而實現對各種有機污染物無選擇性的高效氧化去除。與傳統的H2O2/Fe2+體系相比，EC-AOPs解決了Fe2+氧化損耗問題。與其他氧化技術相比，EC-AOPs具有方法簡單、快速、常溫常壓操作以及環境綠色性等特點，特別適用于處理工業上有毒、可生化性差的有機廢水。氯堿工業一直有“電老虎”之稱，據當前技術水平，以2011年我國燒堿產量及總發電量作為依據，可推算出氯堿工業中僅電解段耗電量就占據了全國總發電量的近2％。當前，氧陰極技術正在氯堿工業上進行推廣，而如果能夠使氧陰極上發生二電子氧還原反應，那么，氯堿工業將不僅僅降低了能耗，同時還可獲得高附加值的過氧化氫原料，可謂一舉兩得。此外，在氧碘化學激光器原料再生、過氧化氫電化學合成、造紙等多個領域，二電子氧還原反應亦具有重要的應用前景。