Electrosynthesis of >20 g/L H2O2 from Air

阳极 阴极保护 电合成 析氧 限制电流 气体扩散电极 电化学 过氧化氢 化学工程 电极 材料科学 氧气 电解质 催化作用 化学 有机化学 物理化学 工程类
作者
Huihui Li,Estefanny Quispe-Cardenas,Shasha Yang,Lifeng Yin,Yang Yang
出处
期刊:ACS ES&T engineering [American Chemical Society]
卷期号:2 (2): 242-250 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acsestengg.1c00366
摘要

Hydrogen peroxide (HP) production via electrochemical oxygen reduction reaction (ORR-HP) is a critical reaction for energy storage and environmental remediation. The onsite production of high-concentration H2O2 using gas diffusion electrodes (GDEs) fed by air is especially attractive. However, many studies indicate that the air-GDE combination could not produce concentrated H2O2, as the [H2O2] leveled off or even decreased with the increasing reaction time. This study proves that the limiting factors are not the oxygen concentration in the air but the anodic and cathodic depletion of the as-formed H2O2. We proved that the anodic depletion could be excluded by adopting a divided electrolytic cell. Furthermore, we demonstrated that applying poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) as an overcoating rather than a catalyst binder could effectively mitigate the cathodic decomposition pathways. Beyond that, we further developed a composite electrospun PTFE (E-PTFE)/carbon black (CB)/GDE electrode featuring the electrospun PTFE (E-PTFE) nanofibrous overcoating. The E-PTFE coating provides abundant triphase active sites and excludes the cathodic depletion reaction, enabling the production of >20 g/L H2O2 at a current efficiency of 86.6%. Finally, we demonstrated the efficacy of the ORR-HP device in lake water remediation. Cyanobacteria and microcystin-LR were readily removed along with the onsite production of H2O2.
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