[发明专利]一种插拔式胶囊阴极及可扩展高效合成H2

说明书

本发明公开了一种插拔式胶囊阴极及可扩展高效合成H₂O₂反应器装置，采用插拔式胶囊阴极，结构简单、便于拆卸安装，装置拓展性强。插拔式胶囊阴极是由炭黑‑石墨‑PTFE制成的圆筒状空气扩散阴极，通过卡槽固定，胶囊阴极圆筒内侧与空气直接接触，外侧与电解液接触。阳极选用贵金属、金属合金或者金属复合金属氧化物等制成阳极板垂直插入阳极槽。阳极板分别连接至直流电源正极，插拔式胶囊阴极分别连接至直流电源负极。采用四对阴阳极有序排列，阴极采用插拔式胶囊阴极，阳极采用钛/二氧化铱复合金属板，电流大小3.76A条件下运行20min后，电极室中H₂O₂浓度为1151.3mg/L。

技术领域

本发明所涉及的领域是电化学合成领域，特别涉及一种插拔式胶囊阴极及可扩展高效合成H₂O₂反应器装置。

背景技术

过氧化氢(H₂O₂)是一种高效且绿色的强氧化剂，在造纸、纺织、化学合成、军事、电子、食品、药品、化妆品、环境保护和冶金等各个领域中被广泛应用。截至2018年，全球过氧化氢消费量约为650万吨，此后此值一直在迅速增长，国内市场份额超过50％。

蒽醌氧化(AO)是目前用于生产H₂O₂的常用方法，迄今为止，通过AO方法生产的H₂O₂分别占全球和国内产量的95％和99％。但这种方法能量输入大、步骤繁杂、副反应多、产生的废弃物多，被认为是一种不经济环保的生产方法。且产生的高浓度H₂O₂水溶液在运输、储存和处理方面存在安全隐患。

电化学为原位生产H₂O₂提供了一种经济，环保的途径。通过氧还原反应(ORR)的两电子途径将O₂电化学还原为H₂O₂，H₂O₂可以在阴极表面产生，且可以在连续电解过程中实现浓度积累。目前在电化学体系中，空气呼吸阴极是一种很有潜力的阴极形式。空气呼吸阴极由暴露于空气的疏水气体扩散层(GDL)、中间作为集电器的不锈钢网(SSM)以及浸没于电解质溶液的催化层(CL)组成，空气中的氧气从扩散层扩散进入催化层，结合氢离子，在活性位点的催化下反应生成H₂O₂。此外，目前绝大部分H₂O₂原位合成是在实验室规模下进行，反应器体积较小、产量低、扩展性不强、对H₂O₂浓度的调节有限。

发明内容

本发明的目的是针对以上存在的问题，设计出一种插拔式胶囊阴极及基于此电极的可扩展高效合成H₂O₂反应器装置。该装置具有构造简单、制作成本低廉、电极对数可调节性强、拓展性强等特点，可有效地提高H₂O₂合成效率、实现高效的H₂O₂浓度调节以及反应器的放大。插拔式胶囊阴极便于直接使用、灵活排列组合以及拆装更换等，且可通过电极数量的调节实现H₂O₂浓度的调节。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

所述插拔式胶囊阴极采用由炭黑-石墨-PTFE制成的空气扩散阴极卷成的，是将催化剂层、气体扩散层分别辊压至集电器两侧制成片状电极后卷成圆筒形成内腔，气体扩散层在圆筒内侧，催化层在圆筒外侧的电极。为防止漏水，胶囊阴极底部用封头密封。