[发明专利]基于阴极单元组的自由组装型H2

说明书

本发明公开了一种基于阴极单元组的自由组装型H₂O₂合成反应器，由空气呼吸阴极单元组、阴极室反应槽、离子交换膜、阳极室组成。阳极采用钛‑二氧化铱板，阴极采用空气呼吸阴极单元组，将其插入阴极室反应槽经正反交替排列后形成S型廊道，可通过循环回流电解液或多反应器串联运行，以实现H₂O₂的高效合成和高浓度累积。多个空气呼吸阴极单元组分别连接至直流电源负极，多个阳极板分别连接至直流电源正极。同时，该空气呼吸阴极单元组具有随意插拔，灵活使用，更换便捷的优点。该自由组装型H₂O₂合成反应器在电流密度20mA/cm²及100％回流循环的条件运行10h后，最高H₂O₂累积浓度达27267mg/L，产量1.5L。

技术领域

本发明所涉及的领域是电化学合成领域，特别涉及一种用于高效电催化合成H₂O₂的自由组装型反应器装置。

背景技术

过氧化氢(H₂O₂)是一种对环境无害的强化学氧化剂，分解时只有水(H₂O)和氧气(O₂)生成，无有害残留物产生，在纸浆漂白、纺织等许多制造业以及电子工业、废水处理、化学氧化等都具有极其广泛的应用。

工业上，过氧化氢是通过蒽醌氧化(AO)工艺得到的，每年的产量占H₂O₂总产量的95％。蒽醌工业需要大量的基础设施和大量的能源投入，集中生产更是需要额外的运输、存储和处理高浓度的H₂O₂，存在潜在的安全风险并且成本过高，所以蒽醌工艺被认为是一种不够绿色且对环境不友好的工艺。

通过氧还原反应(ORR)的两电子途径将O₂电化学还原为H₂O₂，为原位生产H₂O₂提供了很大的潜力。碳基材料由于具有导电性高、孔隙率高、价格低廉、稳定性好、对H₂O₂分解性低等优点，成为H₂O₂生产的良好催化剂选择。目前在电化学体系中，基于碳基材料的空气呼吸阴极是一种理想的电极结构。空气呼吸阴极可以自发利用空气中的氧气，在催化剂的活性位点与来自电解质的H⁺和催化层的电子共同反应生成H₂O₂。

但在电化学合成H₂O₂过程中，H₂O₂的生产能力不仅取决于催化剂和电极结构的性能，也受到反应器结构的影响。目前实验室H₂O₂电化学合成通常在几十至数百毫升的反应器中进行，电极有效面积小，这大大限制了H₂O₂的高效合成，合成的H₂O₂浓度较低。

发明内容

本发明的目的是针对以上存在的问题，设计出一种自由组装型H₂O₂合成反应器，通过模块化单元，使气相和液相流经多个顺序排列的空气呼吸阴极单元组，从而提高H₂O₂合成效率。在此过程中，可以通过紧密排列空气呼吸阴极单元组从而有效增加电极面积，同时，该空气呼吸阴极单元组具有随意插拔，灵活使用，更换便捷的优点。基于空气呼吸阴极单元组构建的自由组装型H₂O₂合成反应器，可以进行单独循环或多反应器串联连续流运行，实现高浓度H₂O₂合成，并具有放大规模化的潜质。

本发明采用技术方案如下：