强化电化学原位产过氧化氢因素分析

发布时间：2020-10-08 23:33

　　针对活性碳纤维(ACF)阴极电还原氧气产过氧化氢(H_2O_2)效率较低的问题,将形稳电极Ru02/Ti、环氧树脂网格以及ACF组合作为复合阳极与电源的正极相连接,单独ACF作为阴极与电源的负极相连接,建立了高效产H_2O_2的电化学系统。通过有无外通氧气对H_2O_2产量对比实验发现,此体系无需外加氧气。详细研究了电流密度、初始pH、转速和电解质浓度等因素对系统产H_2O_2的影响。H_2O_2产量随电流密度的增大而增大,但电流密度达到20.82 m A·cm-2后,继续增大电流密度H_2O_2产量反而降低;酸性条件有利于H_2O_2生成;H_2O_2产量随转速的增大而增加,但转速达到500 r·min-1时,继续增大转速,H_2O_2生成量反而降低;H_2O_2产量随电解质浓度增大逐渐增大,但电解质浓度较高时,H_2O_2产量无明显变化;此电化学系统经8次重复使用后,H_2O_2的生成量基本维持稳定,表明此电化学体系可高效稳定产生H_2O_2。
【部分图文】：

示意图,示意图,磁力搅拌器,吸光度

华电子)提供，磁力搅拌器(上海大龙数显型MS-H-Pro)。1．2实验装置实验装置由电解池、直流稳压电源、反应电极和磁力搅拌器构成。电解池由聚氯乙烯板制成，以浓度为0．05mol·L－1，体积为150mLNa2SO4为电解液。阳极由形稳电极Ｒu02/Ti网、环氧树脂网格和ACF组合，阴极为ACF，两者均采用面积为3cm×4cm大小的极板。用H2SO4(1．0mol·L－1)溶液或NaOH(1．0mol·L－1)溶液调节体系pH值。调节电流及磁力搅拌器的转速，通电后开始计时，每10min取样测定H2O2浓度。具体实验装置见图1所示1．3分析方法H2O2生成量分析采用分光光度法，用已知浓度的H2O2配置不同浓度梯度H2O2，测量吸光度作出一条标线，y=0．012x+0．011(Ｒ2=0．999，其中x代表H2O2浓度，y代表吸光度)。测量H2O2具体方法如下:取2．00mL反应液稀释一定倍数后，再取1．50mL稀释后反应液体于1．0cm在石英比色皿中，依次加入0．75mL邻苯二甲酸氢钾(0．1mol·L－1)和0．75mL(0．4mol·L－1KI+0．06mol·L－1NaOH+～10－4mol·L－1钼酸铵)溶液，混合均匀，静置2min显色，采用日立3010型紫外-可见分光光度仪在λ=352nm处测定吸光度［22］。通过XPS(PHI-5300/ESCA，ULVAC-PHI，INC)和SEM(JSM-6700F，JEOL，Japan)对反应前后的ACF形态进行分析。图1电化学反应装置示意图Fig．1Schematicviewofelectrochemicalreactor6223

阳极析氧,通氧,产量,生成量

环境工程学报第10卷2结果与讨论2．1外通氧气与不通氧气条件下H2O2生成量比较分析本研究将形稳电极Ｒu02/Ti网、环氧树脂网格和ACF为组合阳极，形稳电极与电源的正极相连接，ACF作为阴极进行研究。首先，利用此电化学装置，比较了在阳极析氧和外通氧气条件下H2O2生成量变化。实验结果如图2所示:在外通氧气(100mL·min－1)与不通氧气两种条件下，体系H2O2生成量基本一致，90min时H2O2生成量为0．7mmol·L－1左右。可以看出，阳极析氧可满足装置对O2的需求。图2外通氧气和阳极析氧气条件下H2O2产量随时间的变化Fig．2VariationofgenerationamountofH2O2underO2aerationandanodicO2evolution在电化学过程中，往往伴随着电解水的存在，在阴极上产生氢气，在阳极上产生氧气。进行电解水时，电极反应式如下［23］:酸性溶液中，阴极反应:4H++4e－=2H2φ0=0V阳极反应:2H2O－4e－=4H++O2φ0=1．23V碱性溶液中，阴极反应:4H2O+4e－=2H2+4OH－φ0=－0．828V阳极反应:4OH－－4e－=2H2O+O2+4e－φ0=0．401V从上式可以看出，不论在酸性还是碱性溶液中，水电解的总反应都是如下:2H2O=2H2+O2在此装置中，组合阳极一方面作为还原氧气产H2O2的氧源;另一方面利用感应ACF阴极产H2O2，增大了体系产H2O2的ACF面积，因此，本装置可以简便高效的产H2O2。2．2电流密度对H2O2生成量的影响电流密度是影响电化学还原氧气产生H2O2的重要因素之一。在固定初始pH、转速和电解质浓度的条件下，研究了不同电流密度对H2O2生

电流密度,产生量,生成量

－φ0=0．401V从上式可以看出，不论在酸性还是碱性溶液中，水电解的总反应都是如下:2H2O=2H2+O2在此装置中，组合阳极一方面作为还原氧气产H2O2的氧源;另一方面利用感应ACF阴极产H2O2，增大了体系产H2O2的ACF面积，因此，本装置可以简便高效的产H2O2。2．2电流密度对H2O2生成量的影响电流密度是影响电化学还原氧气产生H2O2的重要因素之一。在固定初始pH、转速和电解质浓度的条件下，研究了不同电流密度对H2O2生成量的影响，实验结果如图3所示。H2O2的生成量不会随着时间直线上升，大约40min时，H2O2生成量达到稳定状态不再增加;H2O2的生成量随着电流密度在8．33～20．82mA·cm－2的范围里增加而增加，但当电流密度超过20．82mA·cm－2时，H2O2生成量存在一个明显的下降过程。图3电流密度对H2O2产生量的影响Fig．3InfluenceofcurrentdensityongenerationamountofH2O2出现这个结果的原因是:当电流密度为8．33、16．66、20．82、24．99和33．32mA·cm－2时，电化学过程中电极两端相应的电压分别为3．0、4．1、4．3、5．4和6．0V。当电压超过4．3V时，氧气的还原过程会通过反应式(2)产生H2O而不是通过反应式(1)产生H2O2，因此当电流密度达到一定值时再继续增大，H2O2生成量反而降低;较高的电流密度会导致H2O2在阳极和电解液里分解，使H2O2生成量降低，由式(3)～(5)所示［24］。因此选用20．82mA·cm－2作为反应电流密度。O2+2H++2e－→H2O2(1)O2+4H++4e－→2H2(2)H2O2→HO·2+H++e

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