[發明專利]一種改性氣體擴散電極及其制備方法

有效

• 申請號: 201810186435.8
• 申請日: 2018-03-07
• 公開（公告）號: CN108358282B
• 公開（公告）日: 2020-05-26
• 發明（設計）人: 全向春;肖竹天
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: C02F1/461
• 分類號: C02F1/461;C02F1/467
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

本發明公開了電化學領域的一種改性氣體擴散電極及其制備方法。該改性氣體擴散電極以不銹鋼網或鈦網作為電子收集層；以碳黑、造孔劑、分散劑和聚四氟乙烯乳液構成擴散層涂覆于電子收集層上，碳黑與聚四氟乙烯乳液的質量比為1:1?1:3；以碳黑、高純導電石墨粉、納米零價鐵、硅鎢酸、造孔劑、分散劑和聚四氟乙烯乳液構成催化層涂覆于電子收集層上，碳黑與聚四氟乙烯乳液的質量比為3:1?1:1，碳黑與高純導電石墨粉的質量比為9:1?1:1。該電極用于電化學系統的陰極，可以形成電芬頓過程，提升H₂O₂產量，強化難降解有機物的去除。

技術領域

本發明屬于電化學領域，具體涉及一種改性氣體擴散電極及其制備方法。

背景技術

氣體擴散電極(Gas diffusion electrode,GDE)，是一種高效氧還原電極，其特有的固-液-氣三項多孔結構能夠促進二電子或者四電子氧還原反應的發生。氣體擴散電極一般由三部分組成：第一，擴散層：主要為參與電極反應的氧氣提供有效而快速的傳輸通道；第二，催化層：它有大量的疏水三相界面，為氧還原反應提供場所和催化劑，是氣體擴散電極的核心組成部分；第三，電子收集層：它主要起著電流的收集作用以及作為氣體擴散電極的支撐襯層。隨著環境保護和電化學技術的發展，氣體擴散電極在廢水處理等領域得到了廣泛的應用。

結合電化學技術，使用GDE作為陰極，可以在電化學系統中產生過氧化氫(H₂O₂)，再引入亞鐵離子就可以引發電芬頓反應，從而達到去除難降解污染物的目的。但是，廢水處理領域的電芬頓技術仍然受制于H₂O₂的產量、電極材料、催化劑耐久性等，難以實現大規模應用。

為了進一步提高氣體擴散電極的性能，尋求一種高效且經濟的新型材料已經成為現今研究的重點。但是常規方法制作的GDE對于電芬頓反應的催化效果不理想。目前，可以通過改進陰極的催化劑、提升孔隙率、增加導電性來提升GDE性能，使得O₂在陰極更容易發生2電子的還原反應而產生更多的H₂O₂。

本發明著眼于傳統碳材料的廉價易得，在此基礎上對GDE的導電性、孔隙數量、催化劑和制備方法等進行優化，引入納米零價鐵和硅鎢酸聯合催化劑，有效提升了GDE的性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種改性氣體擴散電極及其制備方法。具體技術方案如下：

一種改性氣體擴散電極，包括電子收集層、擴散層和催化層；以不銹鋼網或鈦網作為電子收集層；以碳黑、造孔劑、分散劑和聚四氟乙烯乳液構成擴散層涂覆于電子收集層上，其中，碳黑與聚四氟乙烯乳液的質量比為1:1-1:3；以碳黑、高純導電石墨粉、納米零價鐵、硅鎢酸、造孔劑、分散劑和聚四氟乙烯乳液構成催化層涂覆于電子收集層上，其中，碳黑與聚四氟乙烯乳液的質量比為3:1-1:1，碳黑與高純導電石墨粉的質量比為9:1-1:1。

所述聚四氟乙烯乳液的質量百分數為30％-60％；根據電子收集層面積計算擴散層和催化層中各組分的量；其中，每cm²電子收集層，所述擴散層中碳黑的量為40-120mg，造孔劑的量為1-3ml，分散劑的量為10-50ml；每cm²電子收集層，所述催化層中碳黑的量為30-90mg，高純導電石墨粉的量為10-30mg，納米零價鐵加入量為20-60mg，硅鎢酸的加入量為50-150mg，造孔劑的量為1-3ml，分散劑的量為10-50ml。

所述不銹鋼網或鈦網的目數為40-120目。

所述造孔劑為聚乙二醇，分散劑為乙醇。

所述改性氣體擴散電極的制備方法，包括如下步驟：

(1)電子收集層進行預處理；