[发明专利]一种电催化还原氧气的阴极材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种电催化还原氧气的阴极材料及其制备方法和用途，所述阴极材料包括碳纸、部分还原的氧化石墨烯和Pt，所述部分还原的氧化石墨烯负载于碳纸表面，所述Pt负载于部分还原的氧化石墨烯表面，所述碳纸和Pt的质量比为10‑65:1。所述电催化氧化阴极能够在电催化氧化技术、室温(20‑45℃)下通过气固相反应在室温下将室内挥发性有机物消除，并且5h内可将30ppm的苯全部氧化，另外，所述阴极材料的制备方法简单，适于大规模生产。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，涉及一种电催化还原氧气的阴极材料及其制备方法和用途。

背景技术

挥发性有机物(VOCs)是室内空气中的主要气态污染物，包括甲醛和苯系物。这些污染物对人体健康具有很大危害，可致病、致癌、致畸。市场上，消除室内空气中VOCs的净化技术主要包括物理吸附、臭氧氧化法、光催化、热催化氧化法和等离子体净化技术。但是这些技术普遍存在能耗高、具有安全隐患及产生二次污染的问题。

热催化氧化法具有操作简单的优点，能够将VOCs降解为无毒的CO₂和水。目前，已有室温条件下就能够将甲醛完全氧化为CO₂和水的催化材料和相关室内空气净化产品，但氧化降解苯系物的产品还未发现。由于苯系物分子结构复杂，室温条件下热催化氧化消除苯系物还难以实现。目前，即使是活性最高的催化剂，苯系物燃烧的温度也要150℃左右，难以应用于室内环境条件下的苯系物净化。因此开发安全经济、无二次污染的苯系物消除方法，对提高室内空气质量具有非常重要的意义。

电催化氧化技术的显著优势是能够在常温常压的条件下，通过改变界面电场有效地降低反应体系的能垒，是一种基本对环境无污染、低能耗的“绿色”技术，并且所有的有机分子都可以通过电化学方法氧化。近年来，电催化氧化技术应用于液相有机污染物消除的研究广泛，从简单的直链有机物到复杂的多环芳烃类化合物，电催化方法都可以将这些有毒污染物氧化成CO₂和水。

原理上，利用阳极氧化水蒸气产生羟基自由基、过氧化氢等高活性氧物种，氧化苯系物；氧化水蒸气产生的质子通过质子交换膜，固体电解质与阴极的氧气发生还原反应生成水。整个过程为气固相反应，无液体参与。

基于电催化消除污液相染物的原理和研究经验，本发明拟提出利用电催化氧化技术消除室内挥发性有机污染物的阴极材料。

杜玉扣等人研究了三维Pt/石墨烯/碳纤维复合电极的制备及其对甲醇的电催化氧化(Electrochemical layer-by-layer fabrication of a novel three-dimensionalPt/graphene/carbon fiber electrode and its improved catalytic performance formethanol electrooxidation in alkaline medium，international journal ofhydrogen energy,2013,38:6368-6376)，该电极材料包括多层Pt颗粒负载的石墨烯，制备工艺复杂，并存在不稳定因素，比如沉积Pt之后还需要沉积氧化石墨烯并清洗，之前沉积的Pt会掉落导致实际负载量不清楚；另外，其仅仅研究了该电极对甲醇的电催化氧化，而没有研究该电极材料用于气固反应电催化氧化挥发性有机污染物。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种电催化还原氧气的阴极材料及其制备方法和用途，所述阴极材料能够在电催化氧化技术下通过气固相反应在室温下将室内挥发性有机物消除，并且消除效率高。

本发明所述“室温”如无特殊说明是指20-45℃，如22℃、25℃、28℃、30℃、32℃、35℃、38℃、40℃、42℃或44℃等。所述wt％是指质量百分含量。所述v％是指体积百分含量。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：