一种可切换生产过氧化氢或氢气的双阴极电解槽制造技术

本发明专利技术公开了一种可切换生产过氧化氢或氢气的双阴极电解槽，包括阳极和双阴极，所述阳极设置在槽壁上；所述阳极包括氧化物单晶片和导电玻璃，所述氧化物单晶片负载在导电玻璃的导电膜上；所述双阴极包括第一阴极和第二阴极，其中第一阴极包括碳基材料及多孔道载体，第二阴极为镍基材料；双阴极采用程序控制进行切换，使第一阴极或第二阴极有且仅有一个处于工作状态。本发明专利技术所述电解槽充分结合了氧阴极还原法和钒酸铋法电解槽的优点，既可应用于需要氢气和过氧化氢的场景，也可应用于仅需要过氧化氢的场景，极大程度拓展了使用范围，具有广阔的市场前景。广阔的市场前景。广阔的市场前景。

【技术实现步骤摘要】
一种可切换生产过氧化氢或氢气的双阴极电解槽


[0001]本专利技术涉及生产过氧化氢的电解装置
，具体为一种利用程序控制切换两个阴极工作状态，可以实现阳极生产过氧化氢和阴极生产氢气，或者阴阳极同步生产过氧化氢的可切换生产过氧化氢或氢气的双阴极电解槽。

技术介绍

[0002]过氧化氢水溶液俗称双氧水，是一种重要的化工原料，具有清洁无污染特性，广泛应用于印染、造纸、环保、食品、化学合成以及半导体等行业。
[0003]在工业领域，过氧化氢的生产方法有过氧化钡法、过硫酸铵法、蒽醌法、异丙醇法以及氧阴极还原法等。其中，蒽醌法是当前国内外主流的工业生产方法，化学反应方程为H
2 + O
2 →ꢀ
H2O2，其优点是技术成熟，自动化控制程度高，原料成本和能耗较低，适合大规模生产，其缺点是存在原料（主要是氢气）供应瓶颈，生产工艺复杂，产物纯度较低。过硫酸铵法是一种电解法，化学反应方程为2H2O
ꢀ→ꢀ
H2O
2 + H2，其优点是电流效率高、工艺流程短、产品质量高，其缺点是生产成本高，不适合大规模工业化生产，已于20世纪90年代淘汰。氧阴极还原法是一种电化学方法，化学反应方程为O
2 + 2H2O
ꢀ→ꢀ
2H2O2，其优点是电流效率较高、可小规模现场生产，其缺点是成本较高，产品稳定性差（依据文献为：Gustaaf Goor et al., Hydrogen Peroxide in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley
‑
VCH, Weinheim, Germany, 2019）。
[0004]在学术领域，过氧化氢的合成方法有氢氧直接合成法、等离子体法、微生物电化学法、水阳极氧化法、钒酸铋法等。其中，水阳极氧化法是一种电解法，化学反应方程为2H2O
ꢀ→ꢀ
H2O
2 + H2，其优点是产品纯度高，其缺点是选择性低、电流效率较低（依据文献为：Xinjian Shi et al., Nature Communications, 2017, 8: 701）。钒酸铋法是以钒酸铋单晶为核心催化剂的水阳极氧化法，可以最大程度增强水阳极氧化反应的催化活性和选择性，其优点是电流效率高、成本低、产品纯度高，其缺点是阴极析出的氢气附加值低且不便存储和利用（依据文献为：专利名称为《一种低成本生产高纯度过氧化氢和氢气的电解方法》，申请号为201610567960.5，专利技术人为李国岭的中国专利技术专利申请；利名称为《一种利用太阳能低成本生产过氧化氢和氢气的电解方法》，申请号为201610567956.9，专利技术人为李国岭的中国专利技术专利申请）。
[0005]就电解槽而言，过硫酸铵法采用硫酸铵电解液、金属铂阳极和铅阴极或石墨阴极，阳极反应为2SO
42
–
→ꢀ
S2O
82
– + 2e
–
，阴极反应为2H
+ + 2e
‒
→ꢀ
H2，最后利用水解反应（S2O
82
– + 2H2O
ꢀ→
2SO
42
– + H2O
2 + 2H
+
）获得过氧化氢；氧阴极还原法采用强碱性电解液、金属铂阳极和石墨/炭黑/聚四氟乙烯复合物阴极，阳极反应为4OH
‒
→ꢀ
O
2 + 2H2O + 4e
‒
，阴极反应为2O
2 + 2H2O + 4e
‒
→ꢀ
2HO2‒
+ 2OH
‒
；水阳极氧化法采用中性或弱碱性电解液、半导体氧化物薄膜阳极（如纳米级或微米级钒酸铋、二氧化钛、氧化锡、氧化锌、氧化钨、锡酸锌等）和金属阴极（如钛、铂等），阳极反应为2H2O
ꢀ→ꢀ
H2O
2 + 2H
+ + 2e
‒
，阴极反应为2H
+ + 2e
‒
→ꢀ
H2；在水阳极氧化法的基础上，为杜绝具有热力学优势的四电子析氧反应的竞争，钒酸铋法采用纯相或
掺杂钒酸铋<111>、<100>、<110>单晶阳极替代薄膜阳极，同时为降低成本，采用工业用镍基材料阴极替代钛阴极或铂阴极（依据文献为：专利名称为《一种制备过氧化氢用单晶半导体氧化物阳极及电解槽》，申请号为201610568099.4，专利技术人为李国岭的中国专利技术专利申请）。
[0006]与蒽醌法相比，上述电化学方法特别是氧阴极还原法和钒酸铋法，所需原料（水和氧气）价格低廉、供应充足且纯度可控性好，因此生产的过氧化氢纯度更高，倘若用来替代蒽醌法生产的工业级过氧化氢，则可有效降低电子级过氧化氢的提纯成本。另一方面，通过改进电解方案和电解槽结构等策略，充分发挥电化学方法的原料优势并解决氧阴极还原法阳极或钒酸铋法阴极存在的技术劣势，进一步降低生产成本，有希望推动电化学方法取代蒽醌法成为工业级过氧化氢的主流生产方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是针对以上所述现有技术的不足，提供一种可切换生产过氧化氢或氢气的双阴极电解槽。
[0008]为达到上述目的，本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种可切换生产过氧化氢或氢气的双阴极电解槽，包括阳极和双阴极，所述阳极设置在槽壁上，双阴极悬浮在槽内电解液上方；所述阳极包括氧化物单晶片和导电玻璃，所述氧化物单晶片负载在导电玻璃的导电膜上；双阴极包括第一阴极和第二阴极，其中第一阴极由碳基材料及多孔道载体组成，第二阴极为镍基材料；双阴极采用程序控制进行切换，使第一阴极或第二阴极有且仅有一个处于工作状态。
[0009]在生产时，若目标产物仅为过氧化氢，切换至全过氧化氢模式（第一阴极），并通入氧气，在阳极室生成过氧化氢（2H2O
ꢀ→ꢀ
H2O
2 + 2H
+ + 2e
‒
），同时在阴极室也生成过氧化氢（O
2 + 2H
+
+ 2e
‒
→ꢀ
H2O2），总化学反应方程为O
2 + 2H2O
ꢀ→ꢀ
2H2O2；若目标产物包含氢气，切换至析氢模式（第二阴极），在阳极室生成过氧化氢（2H2O
ꢀ→ꢀ
H2O
2 + 2H
+ + 2e
‒
），同时阴极室生成所需氢气（2H
+ + 2e
‒
→ꢀ
H2），总化学反应方程为2H2O
ꢀ→ꢀ
H2O
2 + H2。
[0010]电解所需电压由照射阳极的可见光部分提供或由外部电源全额提供。
[0011]所述氧化物单晶催化剂与钒酸铋法使用的阳极材料相同或类似，可以是纯相或掺杂钒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可切换生产过氧化氢或氢气的双阴极电解槽，其特征在于：包括阳极和双阴极，所述阳极设置在槽壁上；所述阳极包括氧化物单晶片和导电玻璃，所述氧化物单晶片负载在导电玻璃的导电膜上；所述双阴极包括第一阴极和第二阴极，其中第一阴极包括碳基材料及多孔道载体，第二阴极为镍基材料；双阴极采用程序控制进行切换，使第一阴极或第二阴极有且仅有一个处于工作状态。2.如权利要求1所述的一种可切换生产过氧化氢或氢气的双阴极电解槽，其特征在于：在生产时，若目标产物仅为过氧化氢，切换至第一阴极，并通入氧气，在阳极室生成过氧化氢，同时在阴极室也生成过氧化氢；若目标产物包含氢气，切换至第二阴极，在阳极室生成过氧化氢，同时阴极室生成所需氢气。3.如权利要求1所述的一种可切换生产过氧化氢或氢气的双阴极电解槽，其特征在于：所述氧化物单晶片为纯相或掺杂钒酸铋单晶{111}、{110}、{112}、{100}晶面或掺杂氧化锌单晶{0001}晶面。4.如权利要求3所述的一种可切换生产过氧化氢或氢气的双阴极电解槽，其特征在于：所述掺杂钒酸铋单晶的化学成分为(Bi1‑
x
A
x
)(V1‑
y
B
y
)O4，其中A为空位或+1/+2/+3价金属阳离子或其混合组分，B为+4/+6价金属阳离子或其混合组分，0≤x,y≤0.2；所述掺杂氧化锌单晶的化学成分为Ga:ZnO。5.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国岭，
申请(专利权)人：化学与精细化工广东省实验室，
类型：发明
国别省市：