一种超重力提高电解产过氧化氢效率的装置及方法与流程

本发明属于电催化新能源转化，低碳利用领域，具体涉及一种超重力提高电解产过氧化氢效率的装置及方法。

背景技术：

1、过氧化氢被誉为全球一百种重要的化学品之一，其广泛用于各个行业，如杀菌，消毒，化学合成，造纸，印染等领域。基于过氧化氢的性质，不稳定，易分解，且属于易爆化学品，因此运输和储存给客户带来极大的不便利。

2、采用二电子氧还原技术制备过氧化氢，因其无污染，仅需要水和氧气，零碳排放，所以成为研究的热点。但是通常情况下，氧还原是二电子和四电子的竞争反应，所以电化学产过氧化氢效率低。为了解决这一重大共性问题，研究者采用不同的手段制备出多种多样的催化剂，取得了较大的进步。然而电解水产过氧化氢是一个整体的系统工程，除了所需的催化剂的特殊性，其系统质子膜的稳定性，以及溶解氧的效率，氧气的利用率同样是制约电解产过氧化氢的重要影响因素。

3、在电解水产过氧化氢的电堆中，通常是阳极进水，气体和水分别通过气体管路和水管路进入电堆的阴极侧，气体和水在阴极侧混合，还原产过氧化氢。可以看出明显不足，水和氧气在阴极混合，氧气利用率低，氧气分布不均匀，均造成产过氧化氢的效率降低。同时，还应注意，在质子膜电堆中，催化剂是负载在质子膜两侧，水和气体在阴极侧混合，而阳极侧只进水，很难做到膜两侧完全相同的压力，容易造成质子膜坍塌，从而难以维持电堆的使用寿命。

4、超重力技术是一种具有传质效率高、能耗低、设备集约化等优点的新技术。超重力条件下，重力加速度g很大，两相接触的动力因素即浮力因子δ(ρg)很大，流体相对滑移速度大，巨大的剪切应力克服了表面张力，使相界面快速更新，液体伸展出巨大的相际接触表面，从而极大地强化传质过程，产生纳米气泡现象。因此，超重力技术在传质和中间反应方面具有出色的表现，降低传质，提高反应速率，得到广泛的应用。

5、鉴于此，对现有过氧化氢制备技术进行改进，提出一种超重力提高电解产过氧化氢效率的装置及方法。

技术实现思路

1、针对上述问题情况，为了解决阳极析氧催化剂的稳定性，阴极氧还原二电子的高选择性，对阴阳极催化剂进行了合理的设计，采用超重力技术提高气体的水溶性及在水中分配状态，并减少水和气在阴极混合对质子膜的损伤，本发明提供一种超重力提高电解产过氧化氢效率的装置及方法。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种超重力提高电解产过氧化氢效率的装置，包括：

4、超重力产生模块：用于对进入的气体和水产生超重力，促进气体在水中溶解，产生微纳气泡水；

5、电解产过氧化氢模块：用于电解微纳气泡水产过氧化氢；

6、收集装置：设置在电解产过氧化氢模块中，用于实时采集过氧化氢浓度数据；

7、数据收集及反馈控制模块：用于根据收集的过氧化氢浓度数据反馈控制超重力产生模块和电解产过氧化氢模块的启停，并将数据反馈至用户端app。

8、进一步的，所述电解产过氧化氢模块包括若干电解产过氧化氢基本单元串联，所述电解产过氧化氢基本单元包括含流道的阳极边框、阳极集流器、阳极扩散层、阳极催化剂（覆涂于质子膜上）、质子膜、阴极催化剂（覆涂于质子膜上）、阴极扩散层、阴极集流器、含流道的阴极边框，依次叠加叠加组成电解产过氧化氢基本单元。若干电解产过氧化氢基本单元构成电堆系统（电解产过氧化氢模块），至少包含一个电堆单元，还包括与电解产过氧化氢模块相连接的收集装置。

9、优选的，所述阴极催化剂为pt-m催化剂，采用喷涂的方式涂覆于质子膜的一侧，所述pt-m催化剂的制备工艺为：将一定比例的pt盐、m盐、碳黑，加入到水溶液中，并加入一定量的表面活性剂，进行水热反应，洗涤干燥后，制得所述催化剂，覆涂于质子膜表面；

10、优选的，所述m盐为氯化钴，氯化锰中的一种或几种；pt盐与m盐摩尔比为1:1；pt+m占催化剂总重量比的10-20%；所述表面活性剂为十六甲基溴化铵、油酸、油氨、磷酸三丁酯、戊脒中的一种或几种；表面活性剂浓度为10-3-10-2mol/l；水热反应温度120-180℃；水热反应时间8-24h；干燥温度为120-180℃，时间4-8h；催化剂覆涂液，水与异丙醇=4:96（含5%nafion），0.35mg/cm2（以pt计），nafion占催化剂重量的30%；

11、优选的，所述阳极催化剂采用喷涂的方式涂覆于质子膜的另一侧，所述阳极催化剂的制备工艺为：把一定量的三氯化钌，氯铱酸，四氯化锡加入到含有亚氧化钛的溶剂中，水热反应，洗涤干燥后焙烧制备成催化剂，负载到质子膜表面；

12、优选的，所述三氯化钌：氯铱酸：四氯化锡的摩尔比为40:55:5；三氯化钌、氯铱酸以及四氯化锡占催化剂总量的20-30%；水热温度120-180℃，时间8-24h；焙烧温度350-450℃，时间1-3h；优选的，催化剂覆涂液，水与异丙醇=4:96（含5% nafion），1.0mg/cm2（以iro2+ruo2计），nafion占催化剂重量的30%；

13、进一步的，所述收集装置为安装在电解产过氧化氢模块中的过氧化氢传感器，通过传感器在线监测过氧化氢浓度。

14、本发明公开了一种超重力提高电解产过氧化氢效率的方法，采用如上所述的装置进行，包括如下工艺：

15、（1）超重力水气混合：气体和水通过各自的管道进入超重力，在超重力内部混合，开启超重力电机带动内部旋转盘快速转动产生超重量力，促进气体在水中溶解，产生微纳气泡水，进入电解产过氧化氢模块的阴极室；

16、（2）在电解产过氧化氢模块内电解产生过氧化氢，在电解产过氧化氢模块的阴极室水箱内安装有过氧化氢传感器，过氧化氢传感器在线监测过氧化氢浓度；

17、（3）数据收集及反馈控制：过氧化氢传感器监测的过氧化氢浓度，传输到数据收集及反馈控制模块，根据预先在数据收集及反馈控制模块设定过的过氧化氢浓度，反馈超重力产生模块及电解产过氧化氢模块的启停，并将最终数据传输到用户端设备app上。

18、与现有技术相比，本发明技术方案，具有如下有益效果：

19、（1）高选择性阴极催化剂制备，高活性的pt-m催化剂，提高二电子氧还原效率；

20、（2）高稳定性阳极催化剂制备，采用高稳定亚氧化钛负载分散催化剂，提高阳极析氧的稳定性；

21、（3）采用超重力技术产生微纳米气泡水，具有更加优异的传质效果和更好的溶解度，同时溶解性氧的活性更高，提升气液传质，改变气体在水中的分布及存在形态；

22、（4）水气混合水在电堆外实现混合，减少水气在阴极内部混合对催化剂冲刷，提高阴极催化剂寿命；

23、（5）水气混合水在电堆外实现混合，降低阴极水气和氧气水系统存在的不平衡性，从而有效避免质子膜的坍塌，破裂，提高质子膜的寿命；

24、（6）实现智能化操作，增加数据收集，数据反馈模块，可以自动控制超重力产生模块，电解产过氧化氢模块的启停，并能把数据反馈到用户端app上。

25、关于本发明的pt-m催化剂为什么能提高二电子氧还原效率？以及阳极的亚氧化钛负载分散催化剂为什么能提高阳极析氧的稳定性？解释如下：

26、pt基催化阴极o2还原是4电子和2电子的竞争反应，参考图3所述的电子转移原理图，通常条件下，纯pt反应活性高，是发生4电子反应为主，为了降低pt的4电子转移反应，需要降低pt的活性，以及提供适合形成m-oo-键中间体位点的物质，m物质，需要降低电子在pt上的快速转移，同时，可以与氧气形成m-oo-中间体，进而2电子反应生成过氧化氢。co和mn的氧化物存在中间变价化合态，ptcoox，ptmnox，降低电子通过pt直接转移到氧气上发生4电子反应，同时coox，mnox与氧气形成-oo-键，诱导发生2电子转移，coox，mnox不仅表面金属络合氧气生成-oo-，同时因为存在变价，晶格氧也参与诱导-oo-生成，co和mn的特殊性质，使得pt-m还原氧高效发生2电子反应生成过氧化氢。

27、质子膜系统产过氧化氢，阳极是电解水析氧，形成酸性环境，为阳极催化剂提供载体的物质，需要在酸性条件下稳定，同时耐电化学氧化，还需要具有较大的比表面，及良好的导电性。通常的碳基材无法满足。亚氧化钛是tio2在高温氢气条件下还原制备而成的黑色粉末，具有耐酸性，高的耐电化学腐蚀性，较大的比表面，以及良好的导电性，同时亚氧化钛中存在金红石结构相，ru，ir，sn的氧化物在金红石结构上分散均匀，晶粒小，有利于提高活性组分的稳定性，及提高催化性能，降低贵金属使用量。

28、综上，本发明超重力提高电解水产过氧化氢的效率的装置及方法，采用高散、高活性的pt-m催化剂，提高二电子氧还原效率；采用高稳定亚氧化钛负载高分散催化剂，提高阳极析氧的稳定性；为了提高溶解氧气效率，采用超重力技术，实现微纳气泡水，提高传质；为了减少水气不平衡而给质子膜使用寿命带来问题，超重力条件下产生水气混合水后进入阴极室，减少气体对质子膜的冲击，并能提高催化剂的寿命；为了实现智能化控制，增加数据反馈模块，可以自动控制超重力模块，电解产过氧化氢模块启停，并能把数据反馈到用户端app。