摘要
多级孔结构的构建有利于气体扩散电极的传质和电催化反应的进行。本文将廉价易得的炭黑、石墨与常用的粘结剂聚四氟乙烯乳液（PTFE）和造孔剂一起共混处理，制成了一种扩散层和反应层合二为一的，具有多级孔道结构的无金属碳基气体扩散电极，该电极用于O2电催化还原制H2O2。结构表征发现，PTFE不仅是粘结剂，还和造孔剂共同作用，改变了碳材料原有的孔径分布，提高了20-80nm孔道数量，还形成大量微米级孔道，这种独特的分级结构形成了高效的气体传输和分散网络系统，而且有利于生成物H2O2的迁移和富集。表征还发现PTFE在电极中形成了30nm-1μm的聚合物相，分散的聚合物相提高了催化剂表面对O2的亲和能力。我们的研究表明经过添加PTFE、造孔剂和简单的加工后，在介观尺度可以形成碳材料和聚合物的二元相区和多级孔结构，在电催化下具有协同作用，增加了催化剂的电化学表面积，提高了O2利用率的同时抑制副产物H2的产生，以致在宏观上呈现出优异的H2O2生成能力。 在自制H型H2O2试验装置和优化条件下，在干重比炭黑：石墨：粘结剂：造孔剂=3∶3∶3∶1，压制压力6MPa，煅烧温度330℃的条件下制备的电极性能最优。用于H2O2的制备，在使用Nafion117质子交换膜，阳极为铂电极，电流密度150mA?cm-2,O2流速30ml?min-1,电解质溶液0.5mol?L-1的Na2SO4，pH=1.0时，可以使得H2O2生成速率达到2.50mmol?cm-2?h-1,法拉第效率为79.00%，H2O2浓度可以达到3.25mol?L-1，质量分数约为11.00wt%。 还对电极过程进行合理简化并加以推导，建立了高电流密度下三相界面的反应、传质模型和基于Bulter-Volmer的极化曲线方程，模拟了不同电流密度下影响电极极化的主要因素，发现在电极反应层中存在着电化学极化过程和液相电阻引起的欧姆极化，同时，体相电解质溶液的电阻引起的欧姆极化消耗更多的电能，工业化过程需要降低这一部分的能耗以提高经济性。 在电极结构稳定和实验条件一定的前提下，H2O2的分解速率会增大至与H2O2的净生成速率相等。此时，出现H2O2的最大累积浓度，[H2O2]max≈136.88p75O2，说明H2O2的最大累积浓度受O2分压的控制。这一结论对工程应用具有指导意义。
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