[发明专利]一种石墨-炭黑混合空气扩散阴极片的制备和应用

说明书

本发明公开了一种石墨‑炭黑混合空气扩散阴极片的制备方法，空气扩散电极片是由依次层叠压合的扩散层、不锈钢网片和催化层构成的复合层结构，不锈钢网片为60目、0.1mm厚度的不锈钢网片，不锈钢网片内嵌有催化层材料；空气扩散电极片的制备包括：制备由石墨和导电炭黑混合而成的0.5mm薄片状催化层，制备由导电炭黑压压制、烧结而成的0.5mm薄片状扩散层，通过辊压使催化层嵌入到不锈钢网片中，将扩散层与不锈钢网片的另一面贴合辊压后与不锈钢网片紧密压合，从而制得复合层结构的空气扩散阴极片。将本发明制备得到的空气扩散阴极片用于电催化合成过氧化氢，具有较高的催化效率，平均电流效率在80％以上。

技术领域

本发明涉及电催化合成技术领域，特别涉及一种以石墨、炭黑为活性组分的催化合成过氧化氢的催化剂及其制备方法，以及在纯电化学、生物电化学系统中的应用。

背景技术

过氧化氢是一种强化学氧化剂，在印染、化学合成、医疗消毒等领域具有非常广泛的应用。特别在废水处理中，过氧化氢可用于脱臭、脱色和消毒。

目前，过氧化氢主要合成方法是蒽醌氧化法，这种方法费用高、污染重、存在环境毒性。此外，在电化学电池和化学燃料电池中，可以使用碳基电极材料(如石墨、活性炭、碳纳米管等)作为阴极，通过电化学方法在阴极通过氧还原反应(ORR)合成过氧化氢。合成过氧化氢需要氧气的参与，目前在电化学体系中，阴极分为两类，一种是空气鼓入式阴极，阴极(石墨棒、石墨颗粒等)作为催化合成过氧化氢的场所完全浸没在电解液当中，通过外界鼓入空气或者纯氧作为氧源，催化合成过氧化氢；另一种空气扩散阴极则无需鼓入空气，自身主要由两部分组成，催化层(亲水，浸入电解液)提供反应场所，扩散层(疏水，接触空气)能够使空气扩散进入催化层同时防止电解液外渗。当空气扩散阴极为氧化-还原反应提供了良好的三相界面，确保了气、液、固三相反应的顺利进行时，便可高效合成过氧化氢。

对于鼓入式空气阴极，电催化合成过氧化氢的过程中需要外部设备不断向反应器内曝入空气，需要额外的能量输入，增加了成本。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种石墨-炭黑混合空气扩散阴极片，其成本低廉，制备工艺相对简单，是一种对电催化合成H₂O₂具有高效率的碳基催化剂，发挥碳基材料具有廉价、比表面积大且较高稳定性的特点，是一种环境友好、无需外部曝氧且在宽的电位窗口内对电催化合成H₂O₂性能良好的催化剂。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种石墨-炭黑混合空气扩散阴极片的制备方法，空气扩散电极片是由依次层叠压合的扩散层、不锈钢网片和催化层构成的复合层结构，所述不锈钢网片为60目、0.1mm厚度的不锈钢网片，所述不锈钢网片内嵌有催化层材料；所述空气扩散电极片按照以下步骤制备：

步骤一、制备催化层，步骤如下：

步骤1-1)将粒径为40μm的纯度>99.9％的粉末状石墨和粒径为30nm的粉末状导电炭黑按照质量比为(1～7)：(4～1)混合形成碳粉混合物，将碳粉混合物在去离子水中超声洗净后烘干并与无水乙醇混合，混合碳粉与无水乙醇的质量体积比为1g:6mL，超声搅拌10min，在超声搅拌过程中，逐滴加入质量体积浓度为1.5g/mL的聚四氟乙烯乳液，碳粉混合物与聚四氟乙烯乳液的质量体积比为12g∶5mL；再超声搅拌10min；

步骤1-2)将步骤1-1)获得的混合物质在80℃水浴条件下搅拌2h，使混合物质成为胶团状物质，揉捏该胶团状物质1～2min后将该胶团状物质辊压制成0.5mm的薄片A，在辊压的过程中喷洒蒸馏水以防止胶团干裂，该薄片A即为催化层；

步骤二、制备扩散层，步骤如下：