[發明專利]一種插拔式膠囊陰極及可擴展高效合成H2

有效

• 申請號: 202010833897.1
• 申請日: 2020-08-18
• 公開（公告）號: CN111979562B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 李楠;李欣萍
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C25B1/30
• 分類號: C25B1/30;C25B11/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程小艷

本發明公開了一種插拔式膠囊陰極及可擴展高效合成H₂O₂反應器裝置，采用插拔式膠囊陰極，結構簡單、便于拆卸安裝，裝置拓展性強。插拔式膠囊陰極是由炭黑?石墨?PTFE制成的圓筒狀空氣擴散陰極，通過卡槽固定，膠囊陰極圓筒內側與空氣直接接觸，外側與電解液接觸。陽極選用貴金屬、金屬合金或者金屬復合金屬氧化物等制成陽極板垂直插入陽極槽。陽極板分別連接至直流電源正極，插拔式膠囊陰極分別連接至直流電源負極。采用四對陰陽極有序排列，陰極采用插拔式膠囊陰極，陽極采用鈦/二氧化銥復合金屬板，電流大小3.76A條件下運行20min后，電極室中H₂O₂濃度為1151.3mg/L。

技術領域

本發明所涉及的領域是電化學合成領域，特別涉及一種插拔式膠囊陰極及可擴展高效合成H₂O₂反應器裝置。

背景技術

過氧化氫(H₂O₂)是一種高效且綠色的強氧化劑，在造紙、紡織、化學合成、軍事、電子、食品、藥品、化妝品、環境保護和冶金等各個領域中被廣泛應用。截至2018年，全球過氧化氫消費量約為650萬噸，此后此值一直在迅速增長，國內市場份額超過50％。

蒽醌氧化(AO)是目前用于生產H₂O₂的常用方法，迄今為止，通過AO方法生產的H₂O₂分別占全球和國內產量的95％和99％。但這種方法能量輸入大、步驟繁雜、副反應多、產生的廢棄物多，被認為是一種不經濟環保的生產方法。且產生的高濃度H₂O₂水溶液在運輸、儲存和處理方面存在安全隱患。

電化學為原位生產H₂O₂提供了一種經濟，環保的途徑。通過氧還原反應(ORR)的兩電子途徑將O₂電化學還原為H₂O₂，H₂O₂可以在陰極表面產生，且可以在連續電解過程中實現濃度積累。目前在電化學體系中，空氣呼吸陰極是一種很有潛力的陰極形式。空氣呼吸陰極由暴露于空氣的疏水氣體擴散層(GDL)、中間作為集電器的不銹鋼網(SSM)以及浸沒于電解質溶液的催化層(CL)組成，空氣中的氧氣從擴散層擴散進入催化層，結合氫離子，在活性位點的催化下反應生成H₂O₂。此外，目前絕大部分H₂O₂原位合成是在實驗室規模下進行，反應器體積較小、產量低、擴展性不強、對H₂O₂濃度的調節有限。

發明內容

本發明的目的是針對以上存在的問題，設計出一種插拔式膠囊陰極及基于此電極的可擴展高效合成H₂O₂反應器裝置。該裝置具有構造簡單、制作成本低廉、電極對數可調節性強、拓展性強等特點，可有效地提高H₂O₂合成效率、實現高效的H₂O₂濃度調節以及反應器的放大。插拔式膠囊陰極便于直接使用、靈活排列組合以及拆裝更換等，且可通過電極數量的調節實現H₂O₂濃度的調節。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

所述插拔式膠囊陰極采用由炭黑-石墨-PTFE制成的空氣擴散陰極卷成的，是將催化劑層、氣體擴散層分別輥壓至集電器兩側制成片狀電極后卷成圓筒形成內腔，氣體擴散層在圓筒內側，催化層在圓筒外側的電極。為防止漏水，膠囊陰極底部用封頭密封。