石墨烯复合多孔碳毡气体扩散阴极的H2O2催生性能与机理

doi:10.7503/cjcu20230245

摘要/Abstract

摘要：

采用浸渍-烧结法分别制备了石墨烯和科琴黑复合碳毡气体扩散阴极，对其微观形貌及电化学H₂O₂催生性能进行对比研究，发现石墨烯-碳毡复合阴极具有显著鳞片状微观结构及表面丰富的含氧官能团，其H₂O₂产率远高于科琴黑-碳毡复合阴极. 通过调控石墨烯-碳毡复合阴极制备过程中无水乙醇的添加量、石墨烯/聚四氟乙烯（PTFE）质量比及烧结温度等条件，提升石墨烯-碳毡复合阴极H₂O₂的催生性能. 采用线性扫描伏安法（LSV）、恒电位阻抗法（EIS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等测试手段，研究了不同制备条件对石墨烯-碳毡复合阴极H₂O₂催生性能的响应机理. 结果表明，当无水乙醇的添加量为60 mL, 石墨烯与PTFE质量比为3∶1, 烧结温度为360 ℃时，制备的阴极导电性较好, 表面C=O官能团含量高，经90 min电化学反应后， H₂O₂累积浓度可达427.63 mg/L. 该阴极循环稳定性强、 H₂O₂催生效率高，较目前广泛采用的碳黑-PTFE阴极具有显著优势.

关键词: 石墨烯, 多孔碳毡, 气体扩散阴极, 双氧水, 电催化, 电流效率

Abstract:

Graphene and Ketjen black composite carbon felt gas diffusion cathodes were prepared by impregnation-sintering by adjusting the amount of anhydrous ethanol， the mass ratio of graphene to polytetrafluoroethylene （PTFE）， sintering temperature and other factors during method， and their microstructure and H₂O₂ electrochemical catalytic performance were compared. Due to the scaly microstructure and abundant oxygen-containing functional groups， graphene-carbon felt composite cathode has higher H₂O₂ yield than Ketjen black-carbon felt composite cathode. The H₂O₂ catalytic performance of graphene-carbon felt composite cathode was improved by regulating the preparation process， and the response mechanism of different manufacture parameters on the H₂O₂ catalytic performance of graphene-carbon felt composite cathode was studied by means of linear sweep voltammetry（LSV）， electrochemical impedance spectroscopy（EIS）， Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR）， X-ray photo- electron spectroscopy（XPS） and other testing methods. The research results show that when the addition amount of anhydrous ethanol is 60 mL， the mass ratio of graphene to PTFE is 3∶1， and the sintering temperature is 360 ℃， the prepared cathode has high conductivity and high surface C=O functional group content. After 90 min of electro-chemical reaction， the cumulative concentration of H₂O₂ can reach 427.63 mg/L. This cathode has strong cycling stability and high H₂O₂ generation efficiency， which has significant advantages over the widely used carbon black/ PTFE cathode. It is anticipated that this work could provide a theoretical basis and technical method reference for the efficient electrochemical production of H₂O₂ of gas diffusion cathodes based on graphene.

Key words: Graphene, Carbon felt, Gas diffusion cathode, H₂O₂, Electrocatalysis, Current efficiency

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 10

Fig.1 H2O2 productivity of CF⁃KB(A) and CF⁃rGO(B), CE of CF⁃GO and CF⁃KB(C), FTIR of CF, CF⁃rGO and CF⁃KB(D)

Fig.2 SEM images with same magnifications of CF(A) and CF⁃rGO(D), SEM images with higher magnifications of CF⁃KB(B) and CF⁃rGO(E), SEM images of Ketjen black(C) and graphene(F)

Fig.3 Effect of anhydrous ethanol on the yields of H2O2

Table 1 BET surface area and single point adsorption total pore volume of pores with different anhydrous ethanol

Cathode	BET Surface area/（m²·g^-1）	Single point adsorption total pore volume of pores/（cm³·g^-1）
CF⁃25	5.6763	0.009812
CF⁃35	3.2239	0.005091
CF⁃45	4.6100	0.005991
CF⁃60	23.2878	0.028685

Fig.4 Effect of mass ratio of graphene to PTFE on the yields of H2O2

Fig.5 LSV(A), EIS and the equivalent circuit models(inset)(B) of cathode with different mass ratios of the graphene to PTFE

Fig.6 Effect of sintering temperature(C) on the yields of H2O2

Fig.7 FTIR(A), survey(B), C1s (C) and O1s (D) XPS spectra of cathode with different sintering temperatures

Fig.8 Current efficiency of CF⁃360 with optimal cathode manufacture parameters

Fig.9 Yields of H2O2(A) and CE(B) of CF⁃360 with optimal cathode manufacture parameters in stability test

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石墨烯复合多孔碳毡气体扩散阴极的H₂O₂催生性能与机理

Performance and Mechanism of Graphene-carbon Felt Composited Gas Diffusion Cathode for Hydrogen Peroxide Electrochemical Production

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