[发明专利]用于气体消耗反应的漂浮式气体扩散电极及其制备

说明书

技术领域

本发明属于电化学合成技术领域，特别涉及一种用于气体消耗反应的漂浮式气体扩散电极及其制备。

背景技术

气体消耗反应作为一类重要的电化学反应，被广泛地应用于化学合成、空气电池、燃料电池、环境污染治理等领域中。气体消耗反应多种多样，例如：氧还原反应、氢气氧化反应、二氧化碳还原反应以及甲烷氧化反应等。这样的反应发生在气液固三相界面，气体传质往往是反应的限制因素。以氧还原反应为例，氧还原反应是一个非常重要的化学反应，不仅应用于各种空气电池、燃料电池中(四电子过程)，而且可用于直接制备过氧化氢(两电子过程)。在传统氧还原反应系统中，通过曝气的方式将O₂输送到电极反应区，不仅需要曝气设备，而且能耗高，效率低。

随着气体消耗反应使用范围的不断扩大，人们开始利用没有能耗的气体扩散电极来取代主动曝气这种高能低效方式。传统的气体扩散电极是壁式电极，即将气体扩散电极作为反应器的一部分，因此壁式气体扩散电极难以拆卸更换。另外，这种壁式气体扩散电极在反应器中压力分布不均匀，从液面处到底部，压力不断增大。随着电解液水位的提高，容易造成底部压力过大，从而出现电极破损以及反应器漏液的问题。

综上所述，为了解决上述现有技术的问题，有必要设计新的气体扩散电极，实现在无曝气和无水压条件下保证气相中反应物向电极反应区的扩散，使得气体消耗反应顺利进行。

发明内容

为了克服上述现有技术曝气能耗高、壁式气体扩散电极易破损以及难更换等缺点，本发明的目的在于提供一种用于气体消耗反应的漂浮式气体扩散电极及其制备，该电极可一直漂浮在电解液与气相的界面上，几乎不受任何压力，使得电极不易破损且便于更换，同时形成稳定的气-液-固(气相-电解液-电极)三相界面，保证了气相中反应物向电极反应区扩散的通路，可以避免曝气。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于气体消耗反应的漂浮式气体扩散电极，该电极依靠电极自身的浮力或利用其他漂浮物固定，一直漂浮在电解液与气相的界面上，几乎不受任何水压，使得电极不易破损且便于更换，同时形成稳定的气-液-固三相界面，从而保证气相中反应物向电极反应区扩散的通路，避免曝气，浸泡在电解液中的部分电极作为电极反应区，在电化学过程中生成反应产物。

所述气体消耗反应为氧还原反应、二氧化碳还原反应、氢气氧化反应或气态有机物的氧化反应中的任意一种或至少两种的组合。

所述气体消耗反应为氧还原反应时，漂浮式气体扩散电极与对电极正对，对电极产生的氧气可以被漂浮式气体扩散电极所利用。

所述漂浮式气体扩散电极的供电方式为：依靠外部电源供电，或，利用原电池原理工作。

所述漂浮式气体扩散电极由催化剂、粘结剂和载体组成，或由催化剂和载体组成，或由催化剂和粘结剂组成，或由催化剂组成，通过浸泡法、涂布法、冷冻干燥法或转化法制备；

其中，所述催化剂采用石墨、炭黑、碳纤维、石墨烯、碳纳米管、活性炭、Pt/C或Ir/C中的任意一种或至少两种的组合；

所述载体为海绵、泡沫、碳毡、碳布、石墨毡或泡沫金属中的任意一种或至少两种的组合；

所述粘结剂采用聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)中任意一种或至少两种的组合。

具体可为如下形式之一：

1)浸泡法；

2)涂布法；

3)冷冻干燥法；

4)转化法。

所述漂浮式气体扩散电极由催化剂、粘结剂和载体组成，采用浸泡法制备，步骤如下：将载体浸泡在含导电粘结剂的催化剂的溶液中，超声后取出，烘干，重复多次，即得到漂浮式气体扩散电极；

所述漂浮式气体扩散电极由催化剂、粘结剂和载体组成，或由催化剂和粘结剂组成，采用涂布法制备，步骤如下：将催化剂和粘结剂加溶剂混匀后，涂附在载体上，或将粘结剂涂附在催化剂上，煅烧，即得到漂浮式气体扩散电极；

所述漂浮式气体扩散电极由催化剂和粘结剂组成，或由催化剂组成，采用冷冻干燥法制备，步骤如下：将催化剂制成溶液，或将催化剂和粘结剂制成溶液，冷冻成冰，然后在冷冻干燥机中干燥，干燥完后，即得到漂浮式气体扩散电极；

所述漂浮式气体扩散电极由催化剂组成，采用转化法制备，步骤如下：将催化剂前驱体，或前处理后的催化剂前驱体，在高温管式炉中碳化，即得到漂浮式气体扩散电极。

对本发明的机理进行说明：