专利名称：一种石墨-炭黑混合空气扩散阴极片的制备和应用

专利权人：天津大学

发明人：李楠，安敬昆，王鑫

专利号：ZL 201610031999.5

授权时间：2018年9月4日

（一）发明创新点

1. 本发明采用了市售的商用原材料进行制备。石墨粉单价30 ¥/kg，导电炭黑粉28 ¥/kg，聚四氟乙烯溶液250 ¥/kg，不锈钢网60 ¥/m²。所有原材料廉价易得。经核算电极的物料和耗材成本为2.58 ¥/dm²。

2. 本发明采用辊压法制备。利用市售辊压机，将混合催化剂和烧结后的疏水扩散层依次辊压至不锈钢网两侧，操作简单方便，易于电极的大规模制备。

3. 本发明性能优秀，在生物电化学系统中施加0.6 V偏压H₂O₂产率可达到0.079 kg/m³/day电流效率为72 %。纯电化学系统中施加-1.4 V (vs.Ag/AgCl) H₂O₂产率达到11.9 mg L^/h/cm²，电流效率达到92 %。

4. 本发明用于合成H₂O₂时，所用反应物氧气几乎全部来自于空气，并且氧气无需加压或者强制曝气，全部自由经扩散层扩散至电极催化层内部活性位点进行催化反应。因此在搭建系统时无需曝气系统和增压系统，降低了系统的复杂性和运行成本。

（二）应用领域和范围

本发明适用于电化学高级氧化领域。本发明可在双室生物电化学体系或单/双室非生物纯电化学体系内部催化氧还原合成H₂O₂，生成的H₂O₂可在UV/Fe²⁺/O₃等催化剂作用下原位生成强氧化剂羟基自由基，用于水中难降解有机物的降解和矿化。

（三）实施效果

本发明在双室连续流非生物电化学系统中，当施加电位为-1.4 V (vs.Ag/AgCl)时，H₂O₂产率达到83.3 mg/L/h^-1电流效率均达到92%。

在双室生物电化学系统中，当施加0.6 V偏压时，H₂O₂产率可达到0.079 kg /m³/day。

我们搭建了一套单室（350 mL）可切换三电极系统用于耦合电絮凝和电芬顿过程。在本系统中，阴极在施加20 mA/cm²电流密度下，H₂O₂产率可达到159.8 ± 2.6 mg/L，电流效率53 ± 3%。电极可在系统中充分发挥作用处理藻华污染水体，高效去除水中的藻细胞和微囊藻毒素，综合能耗0.5 ± 0.04 kWh/m³。

在长期运行电极寿命测试过程中，电极在10 mA/cm²，条件下运行200 h后，H₂O₂产率仅下降17.8%，为目前运行时间最长的电极。

（四）产业化及市场应用情况

我们与天津凡邸科技有限公司进行合作，正在依托此高效的催化电极，制备一种反应器设备。该设备能将空气中的挥发性有机气体（VOC）进行回收并在设备内原位通电产生过氧化氢结合UV高级氧化技术对VOC进行降解（主要应用场景为家居制备过程中释放出的有害气体）。目前正处于原型机验证阶段。

（五）技术优势

1. 空气自扩散阴极所用的氧源几乎全部来源于空气中氧气的自由扩散，相比于曝气式的浸没电极对于氧气的利用效率更高，相较于常见的气体扩散电极（gas diffusion electrode，GDE）无需高压气体作为氧源。因此围绕电极所需要搭建的系统被大大简化，只需将电极固定于反应器一侧即可。

2. 辊压制备方法可以将更多的催化材料负载在单位面积之上。同时，辊压制备方法方便且容易品控，制备出的电极平行性较高且易放大，有利于电极的大规模生产。

3. 电极制备所用催化剂为廉价的市售商用碳粉价格在30元/公斤，无需在实验室合成复杂的碳材料，大大降低了制备的综合成本以及制备时间。

（六）专利运用及保护

在成功开发出该电极并在电化学/生物电化学系统中高效合成H₂O₂后，我们针对电机内部的水-气-固三相界面进行了进一步的优化。基于新电极，我们搭建了三套系统：一套为可将电絮凝和电芬顿系统耦合的三电极反应器用于高效低能耗处理藻华污水；另一套为生物电化学/UV高级氧化系统，用于生物异位降解甲醛；第三套为光芬顿系统用于高效降解苯酚污染物。基于以上研究内容，申请发明型专利8项，发表SCI论文5篇。同时与天津凡邸科技有限公司进行合作，围绕电极搭建了一种将VOC富集-降解的电化学高级氧化反应器，目前正处在原型机测试验证阶段。

（七）效益分析

目前考虑电极的所有耗材（碳粉，粘结剂，分散剂，不锈钢网），其制作成本为2.58 ¥/dm²。随着对电极的进一步升级和完善，我们目标将电极的制造成本降至2.0  ¥/dm²以下。在电极寿命研究中，我们发现电极运行200 小时后性能下降17.8%，是目前可见文献报道中运行时间最长的，比一般电极运行时长高10-20倍。在反应器中施加10 mA/cm²电流时，H₂O₂产率为37.5 mg/h。单位能耗产H₂O₂量为134 mg/kWh。

（八）应用前景

目前正在开发模块化的新型放大电极2.0版本，用于实现H₂O₂的中试规模量产。未来设想电极组可以实现在电解池中即插即用，即停即拔，方便装卸。该电极的未来应用场景应为工厂特种污水的处理，用于原位生成过氧化氢并实现高级氧化技术去除难降解有机污染物。

1-1三电极电絮凝-电芬顿耦合系统 照片-350mL

1-2 三电极系统处理藻华水体效果图-低电流

1-3 三电极系统处理藻华水体效果图-高电流