构建多级孔电极促进氧还原制备过氧化氢的研究
发布时间：2022-02-12 07:51
多级孔结构的构建有利于气体扩散电极的传质和电催化反应的进行。本文将廉价易得的炭黑、石墨与常用的粘结剂聚四氟乙烯乳液（PTFE）和造孔剂一起共混处理,制成了一种扩散层和反应层合二为一的,具有多级孔道结构的无金属碳基气体扩散电极,该电极用于O2电催化还原制H2O2。结构表征发现,PTFE不仅是粘结剂,还和造孔剂共同作用,改变了碳材料原有的孔径分布,提高了20-80nm孔道数量,还形成大量微米级孔道,这种独特的分级结构形成了高效的气体传输和分散网络系统,而且有利于生成物H2O2的迁移和富集。表征还发现PTFE在电极中形成了30nm-1μm的聚合物相,分散的聚合物相提高了催化剂表面对O2的亲和能力。我们的研究表明经过添加PTFE、造孔剂和简单的加工后,在介观尺度可以形成碳材料和聚合物的二元相区和多级孔结构,在电催化下具有协同作用,增加了催化剂的电化学表面积,提高了O2利用率的同时抑制副产物H2的产生,以致在宏观上呈现出优...
【文章来源】：郑州大学河南省211工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
H2O2主要应用领域
1引言6图1.2氧阴极还原法的研究与发展趋势Fig1.2Researchanddevelopmenttrendofoxygencathodicreductionmethod碳材料已被证实对O2二电子还原生成H2O2有较高的催化活性，文献[90,91]中对碳材料改性主要是对碳基材料进行氧化处理引入含氧官能团（-C-O-C-、-C=O、-COO-）以及杂原子的掺杂，调变其电子结构，增加其亲水性，促进O2按照端吸附模式进行吸附，进而提高H2O2的产量及效率。上述所做的研究产生过氧化氢的浓度均达不到实际应用所需的要求，造成这种结果主要是因为：氧阴极还原法中将阴极材料置于电池阴极的电解质溶液中，随后在阴极表面进行曝气，氧气与阴极接触的同时在催化剂表面被还原生成过氧化氢，但是由于电极与氧气的接触时间较短，接触面积也较小，氧气多半以空气的形式排入大气中并未有效利用，且气泡在流动过程中增大了传质阻力，所以使得过氧化氢的浓度达不到理想水平。因此获得性能优异的阴极非常必要，这也是氧阴极还原法原位生产过氧化氢的核心。1.5气体扩散电极发展与改进目前，氧阴极还原法原位制备过氧化氢的研究中采用的电极依据氧源不同可以划分为两种：一种是以溶解氧为氧源的平面二维电极，另一种是以扩散氧为
1引言9图1.3气体扩散电极示意图Fig1.3SchematicdiagramofgasdiffusionelectrodeGopalR等人[96]选用碳布作为支撑层，采用PTFE乳液进行疏水处理，通过该处理发现气体扩散电极的性能得到很大的改进，使用寿命大大延长。实现电化学合成过氧化氢的关键在于如何高速率，高效率的将氧气还原成双氧水，借助于GDE中扩散层的疏水和气体分散作用，极大的提高了催化三相界面和反应位点的增加。GDE是现阶段普遍用于电化学系统合成过氧化物，特别是过氧化氢的氧还原电极。GDE具有气、液、固三相相互作用构成的多孔网络系统，为液相反应物及产物和电解质中氧的传质提供了良好的迁移转化空间。但是，三维多孔电极的使用也存在不可忽视的问题，即电极的使用效果极易受到自身特殊的制备工艺和电极内部结构的影响，如可能会引起气液流分布不均匀的现象，产物产量也受到电流密度的限制。1.6反应装置的设计与改进反应装置为氧阴极还原法制备过氧化氢提供了反应所需的场所，其结构的合理性直接影响过氧化氢生成量的多少。随着氧阴极还原法制备过氧化氢技术的不断发展，根据反应过程中出现的现实问题，反应装置也经历了不断被改进和完善的过程。工艺和装置二者相互促进，相辅相成，为氧阴极还原法原位制备过氧化氢技术的发展奠定了坚实的基矗反应装置的改进过程如图1.4所示，从图（a）原始的电解池（无气体扩散电
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同方法制备钯基催化剂对直接合成过氧化氢性能的影响[J]. 张鑫,潘红艳,林倩,陈政,万俊桃. 无机盐工业. 2017(06)
[2]氮掺杂石墨烯用于碱性燃料电池产过氧化氢[J]. 严祥辉,蒙紫薇,李维勇,刘佳. 现代化工. 2017(05)
[3]蒽醌法制过氧化氢中降解物的生成及再生研究进展[J]. 王松林,程义. 合成纤维工业. 2017(02)
[4]国内外蒽醌法制过氧化氢工艺技术研发新进展[J]. 胡长诚. 化学推进剂与高分子材料. 2017(02)
[5]含AR+TOP+TBU三元溶剂工作液在过氧化氢生产中的应用[J]. 赵晓东,沈冲,冯彬,韦永继,张永泽. 化学推进剂与高分子材料. 2017(01)
[6]过氧化氢生产技术的研究进展[J]. 郑淑君,许骥,马震. 化学推进剂与高分子材料. 2016(02)
[7]Electrocatalytic hydrogen peroxide formation on mesoporous non-metal nitrogen-doped carbon catalyst[J]. Frédéric Hasché,Mehtap Oezaslan,Peter Strasser,Tim-Patrick Fellinger. Journal of Energy Chemistry. 2016(02)
[8]氧化镁/γ-氧化铝催化蒽醌法工艺降解物再生过程研究[J]. 赵珒,袁恩先,王莅. 无机盐工业. 2015(06)
[9]PTFE/C三相电极氧阴极还原法生产过氧化氢[J]. 王志韩,宋浩然,李朝林,闫林霞,李玲. 环境工程学报. 2015(02)
[10]质子交换膜燃料电池阴极电化学反应路径分析[J]. 孙红,蔡小玉,王逊. 工程热物理学报. 2013(01)
硕士论文
[1]电化学制备过氧化氢用改性乙炔黑气体扩散电极的研究[D]. 范成成.北京化工大学 2016
[2]改进氧阴极还原法原位生产过氧化氢研究[D]. 王志韩.哈尔滨工业大学 2013
[3]石墨/聚四氟乙烯气体扩散电极的制备及其性能研究[D]. 汤培.燕山大学 2012
[4]气体扩散电极在光电催化氧化水中苯酚的应用[D]. 张继平.太原理工大学 2005
[5]异丙醇法生产过氧化氢与环己酮氨氧化的集成过程研究[D]. 梁新华.天津大学 2003
[6]电催化合成过氧化氢及氧还原动力学研究[D]. 孙鲲鹏.北京化工大学 2001
本文编号：3621330
【文章来源】：郑州大学河南省211工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
H2O2主要应用领域
1引言6图1.2氧阴极还原法的研究与发展趋势Fig1.2Researchanddevelopmenttrendofoxygencathodicreductionmethod碳材料已被证实对O2二电子还原生成H2O2有较高的催化活性，文献[90,91]中对碳材料改性主要是对碳基材料进行氧化处理引入含氧官能团（-C-O-C-、-C=O、-COO-）以及杂原子的掺杂，调变其电子结构，增加其亲水性，促进O2按照端吸附模式进行吸附，进而提高H2O2的产量及效率。上述所做的研究产生过氧化氢的浓度均达不到实际应用所需的要求，造成这种结果主要是因为：氧阴极还原法中将阴极材料置于电池阴极的电解质溶液中，随后在阴极表面进行曝气，氧气与阴极接触的同时在催化剂表面被还原生成过氧化氢，但是由于电极与氧气的接触时间较短，接触面积也较小，氧气多半以空气的形式排入大气中并未有效利用，且气泡在流动过程中增大了传质阻力，所以使得过氧化氢的浓度达不到理想水平。因此获得性能优异的阴极非常必要，这也是氧阴极还原法原位生产过氧化氢的核心。1.5气体扩散电极发展与改进目前，氧阴极还原法原位制备过氧化氢的研究中采用的电极依据氧源不同可以划分为两种：一种是以溶解氧为氧源的平面二维电极，另一种是以扩散氧为
1引言9图1.3气体扩散电极示意图Fig1.3SchematicdiagramofgasdiffusionelectrodeGopalR等人[96]选用碳布作为支撑层，采用PTFE乳液进行疏水处理，通过该处理发现气体扩散电极的性能得到很大的改进，使用寿命大大延长。实现电化学合成过氧化氢的关键在于如何高速率，高效率的将氧气还原成双氧水，借助于GDE中扩散层的疏水和气体分散作用，极大的提高了催化三相界面和反应位点的增加。GDE是现阶段普遍用于电化学系统合成过氧化物，特别是过氧化氢的氧还原电极。GDE具有气、液、固三相相互作用构成的多孔网络系统，为液相反应物及产物和电解质中氧的传质提供了良好的迁移转化空间。但是，三维多孔电极的使用也存在不可忽视的问题，即电极的使用效果极易受到自身特殊的制备工艺和电极内部结构的影响，如可能会引起气液流分布不均匀的现象，产物产量也受到电流密度的限制。1.6反应装置的设计与改进反应装置为氧阴极还原法制备过氧化氢提供了反应所需的场所，其结构的合理性直接影响过氧化氢生成量的多少。随着氧阴极还原法制备过氧化氢技术的不断发展，根据反应过程中出现的现实问题，反应装置也经历了不断被改进和完善的过程。工艺和装置二者相互促进，相辅相成，为氧阴极还原法原位制备过氧化氢技术的发展奠定了坚实的基矗反应装置的改进过程如图1.4所示，从图（a）原始的电解池（无气体扩散电
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同方法制备钯基催化剂对直接合成过氧化氢性能的影响[J]. 张鑫,潘红艳,林倩,陈政,万俊桃. 无机盐工业. 2017(06)
[2]氮掺杂石墨烯用于碱性燃料电池产过氧化氢[J]. 严祥辉,蒙紫薇,李维勇,刘佳. 现代化工. 2017(05)
[3]蒽醌法制过氧化氢中降解物的生成及再生研究进展[J]. 王松林,程义. 合成纤维工业. 2017(02)
[4]国内外蒽醌法制过氧化氢工艺技术研发新进展[J]. 胡长诚. 化学推进剂与高分子材料. 2017(02)
[5]含AR+TOP+TBU三元溶剂工作液在过氧化氢生产中的应用[J]. 赵晓东,沈冲,冯彬,韦永继,张永泽. 化学推进剂与高分子材料. 2017(01)
[6]过氧化氢生产技术的研究进展[J]. 郑淑君,许骥,马震. 化学推进剂与高分子材料. 2016(02)
[7]Electrocatalytic hydrogen peroxide formation on mesoporous non-metal nitrogen-doped carbon catalyst[J]. Frédéric Hasché,Mehtap Oezaslan,Peter Strasser,Tim-Patrick Fellinger. Journal of Energy Chemistry. 2016(02)
[8]氧化镁/γ-氧化铝催化蒽醌法工艺降解物再生过程研究[J]. 赵珒,袁恩先,王莅. 无机盐工业. 2015(06)
[9]PTFE/C三相电极氧阴极还原法生产过氧化氢[J]. 王志韩,宋浩然,李朝林,闫林霞,李玲. 环境工程学报. 2015(02)
[10]质子交换膜燃料电池阴极电化学反应路径分析[J]. 孙红,蔡小玉,王逊. 工程热物理学报. 2013(01)
硕士论文
[1]电化学制备过氧化氢用改性乙炔黑气体扩散电极的研究[D]. 范成成.北京化工大学 2016
[2]改进氧阴极还原法原位生产过氧化氢研究[D]. 王志韩.哈尔滨工业大学 2013
[3]石墨/聚四氟乙烯气体扩散电极的制备及其性能研究[D]. 汤培.燕山大学 2012
[4]气体扩散电极在光电催化氧化水中苯酚的应用[D]. 张继平.太原理工大学 2005
[5]异丙醇法生产过氧化氢与环己酮氨氧化的集成过程研究[D]. 梁新华.天津大学 2003
[6]电催化合成过氧化氢及氧还原动力学研究[D]. 孙鲲鹏.北京化工大学 2001
本文编号：3621330
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