[发明专利]催化剂及其制备方法、阴极以及电化学系统

说明书

本发明提出了催化剂及其制备方法、阴极以及电化学系统。具体的，本发明提出了一种可催化产生双氧水的催化剂，所述催化剂包括碳纤维，所述碳纤维上修饰了金属‑有机框架化合物和铁。由此，在碳纤维上修饰金属‑有机框架化合物和铁能够显著提高碳纤维材料的电催化性能，因此，该催化剂具有优异的电催化性能；并且，该催化剂可用于催化空气阴极中的氧还原反应，产生过氧化氢，提高了空气阴极的性能；并且，该空气阴极可用于电化学系统中，提高电化学系统的产电性能以及净水效果。

优先权信息

本申请请求2018年06月15日向中国国家知识产权局提交的、专利申请号为201810619476.1的专利申请的优先权和权益，并且通过参照将其全文并入此处。

技术领域

本发明涉及环境、材料、能源领域，具体地，本发明涉及催化剂及其制备方法、阴极以及电化学系统。

背景技术

环境问题与能源问题是当代社会发展面临的两大难题，净化污水的同时兼顾能源回收是污水处理技术面对的新挑战。采用电化学系统进行污水处理，可利用电化学反应形成诸如羟基自由基等强氧化性物质，从而达到净化污水的作用。

然而，目前的电化学系统、催化剂以及阴极，仍有待提高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

随着人口规模的不断扩大和社会经济的持续发展，城市生活污水以及工业污水的排放量也随之增长，污水处理负荷持续加重，这对污水处理水平的要求也越来越高。目前常用的生物处理方法，对可生化性差、相对分子质量从几千到几万的物质处理较困难，因此，目前常采用高级氧化法对可生化性差、相对分子量较大的物质进行降解处理。高级氧化法，是指利用通过一系列反应产生的氧化性能极强的羟基自由基，对污染物进行氧化降解的过程。高级氧化法能够使绝大部分有机物完全矿化或分解，具有很好的应用前景。其中，芬顿反应主要依靠亚铁试剂与过氧化氢反应生成羟基自由基用于污染物的去除乃至矿化，对污染物去除效果较好，是最常用的高级氧化工艺之一。

然而，发明人发现，目前利用芬顿反应进行污水处理时仍然存在处理效率较低、处理成本较高等问题。在传统的芬顿反应当中，过氧化氢和铁盐都依赖外部投加。过氧化氢作为一种强氧化剂，在工业上主要通过蒽醌氧化法生产，但是由于其氧化性和不稳定性，在运输的过程中不仅易分解，而且容易爆炸，造成潜在的环境风险。铁盐在反应的过程中也存在着不能循环使用，产生铁泥等问题。因此，可以将高级氧化工艺应用在电化学系统中，利用电化学系统中阴极的氧还原反应，可原位产生过氧化氢，并将其用于催化氧化反应中，从而避免了过氧化氢的外部投加，提高了安全性；并且，芬顿反应的产物Fe(III)也可以在阴极上得到电子被还原为Fe(II)，从而实现铁试剂的循环利用。然而，发明人通过深入研究发现，目前的电化学系统的阴极中，催化氧气产生过氧化氢的催化剂，其催化效率较低，并且生产成本较高，不利于降低污水处理成本。

有鉴于此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种可催化产生双氧水的催化剂。根据本发明的实施例，所述催化剂包括碳纤维，所述碳纤维上修饰有金属-有机框架化合物和铁。由此，碳纤维的比表面积较大、导电性良好，可以较好地催化氧气产生过氧化氢；在碳纤维上修饰金属-有机框架化合物和铁可以产生协同作用，能够显著提高碳纤维材料的电催化性能，因此，该催化剂具有优异的电催化性能。

根据本发明的实施例，所述金属-有机框架化合物包括沸石咪唑酯骨架结构化合物。由此，进一步提高了该催化剂的催化性能。

根据本发明的实施例，基于所述催化剂的总质量，所述金属-有机框架化合物的重量百分比为1％～50％。由此，进一步提高了该催化剂的催化性能。

根据本发明的实施例，基于所述催化剂的总质量，所述铁的重量百分比为1％～50％。由此，进一步提高了该催化剂的催化性能。