具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的串联流动式过氧化氢电化学产生装置实施例一参照图1-3所示，设有氧气电化学发生器1和过氧化氢电化学发生器2，氧气电化学发生器1与过氧化氢电化学发生器2串联，使得电解液经过氧气电化学发生器1反应后再进入过氧化氢电化学发生器2。

本发明的串联流动式过氧化氢电化学产生装置的过氧化氢电化学发生器2通过二电子氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)来产生过氧化氢，在过氧化氢电化学发生器2的阴极电极上反应如下：

O₂+2(H⁺+e^-)→H₂O₂

在过氧化氢电化学发生器2的阳极电极端则发生水的电解反应，其反应如下：

H₂O→0.5O₂+2(H⁺+e^-)

过氧化氢电化学发生器2中生成过氧化氢的总反应为：

H₂+0.5O₂→H₂O₂

因此，电解液中溶解氧的浓度是影响反应平衡移动的重要因素，电解液中溶解氧的量越多，过氧化氢电化学发生器2产生的过氧化氢溶液浓度越高。一般电解液中溶解氧来源是水中溶解氧未饱和时，大气中的氧气向水体渗入的，溶解氧的含量比很少。电解水反应是指含盐的水经过电解产生氢气和氧气的反应，在氧气电化学发生器1的阴极电极上反应如下：

2H₂O+2e^-→2OH^-+H₂

在氧气电化学发生器1的阳极电极端则发生如下反应：

H₂O→0.5O₂+2(H⁺+e^-)

氧气电化学发生器1中的总反应为：

2H₂O→2H₂+O₂

由于阳极产生的部分氧气分子溶解于电解液中，直至其中的溶解氧浓度达到饱和后，多余部分氧气则才会以气泡的形式析出，因此经过电解水反应的电解液中溶解氧的浓度是饱和的，相对于现有的向电解液中通入空气或氧气的做法溶解氧的浓度更高，所以可以利用电解水得到溶解氧饱和的电解液，再用于电解产生过氧化氢溶液，推动反应平衡向着右侧产生过氧化氢的方向移动。

本实施例中，氧气电化学发生器1设有外壳11，外壳11内为电解液腔111，外壳11的两端分别设有进水口112和出水口113，电解液腔111内从进水口112一侧到出水口113一侧依次设有阴极电极12、绝缘分隔装置13、阳极电极14和扰流板15，绝缘分隔装置13分隔阴极电极12和阳极电极14，扰流板15用于增加电解液涡流。

本实施例中，为了增加电解液的涡流效应，绝缘分隔装置13为绝缘材料制作的多孔平板状分隔装置，使得电解液能够流通的同时增加电解液的涡流效应，绝缘材料为陶瓷。在具体生产实施中绝缘分隔装置13还可以是将阴极电极12和阳极电极14固定在外壳11上的固定支架，而且制作绝缘分隔装置13的绝缘材料还可以根据需要选择塑料、玻璃、玻璃纤维。

为了进一步增加电解液的涡流效应，扰流板15为平板状，扰流板15设有两块以上，扰流板15相向设置且相互交错以形成用于弯折流通的电解液的弯折流道。本实施例中，扰流板15设有三块且相互平行设置，相邻的两块扰流板15的一端分别固定在相对两侧的电解液腔111的内壁上，另一端与另一侧的电解液腔111的内壁之间留下间隙，使得三块扰流板15呈相向设置且相互交错，形成“S”的弯折流道，使得电解液沿着弯折流道流动，产生更强的涡流效应。

为了提高电极的反应率，阴极电极12和阳极电极14为多孔板状或采用三维多孔金属材料制成的板材，提高电极的表面积。阴极电极12和阳极电极14采用铂、铱、钌、铑、锇中的一种或多种的合金制成。本实施中，阴极电极12和阳极电极14为利用粉末冶金工艺制备的三维多孔铂材料制成的板材。

本实施例中的过氧化氢电化学发生器2包括过氧化氢反应腔体21、过氧化氢反应阴极22和过氧化氢反应阳极23，本实施例中，过氧化氢反应腔体21为长方体，内部是中空的电解液腔，过氧化氢反应腔体21的顶面和底面上分别设有进液口和出液口，进液口211设置在底面的左侧，出液口212设置在顶面的右侧。过氧化氢反应阴极22和过氧化氢反应阳极23设置在过氧化氢反应腔体21内部，外接电源2通过穿过过氧化氢反应腔体21的电线与过氧化氢反应阴极22和过氧化氢反应阳极23电连接，过氧化氢反应腔体21上设有供电线穿过的电线孔和密封电线孔的密封边。为了将避免短路，过氧化氢反应阴极22和过氧化氢反应阳极23之间设有分隔电极、增强电解液涡流效应的隔板24，隔板24为绝缘隔板，采用绝缘材料制成。过氧化氢反应阴极22和过氧化氢反应阳极23通过外接电源供电，外接电源可以选用锂电池、铅酸电池、镍氢电池、干电池等电源，也可以通过相应的电路将市电交流电转化为直流后使用，外接电源的电压根据电极的面积和电解液电导率等参数进行优化选择，本实施例中外接电源为利用电路转化为直流电的市电交流电。

本实施中，过氧化氢反应阴极22和过氧化氢反应阳极23沿着过氧化氢反应腔体21的长度方向设置，过氧化氢反应阴极22和过氧化氢反应阳极23呈与过氧化氢反应腔体21内壁形状吻合的板状，过氧化氢反应阴极22和过氧化氢反应阳极23相对地固定在隔板24两侧的过氧化氢反应腔体21内壁上。在具体生产实施中，电极的形状可以根据过氧化氢反应腔体21内壁形状设置成弧板状。

为了增加电解液在过氧化氢反应腔体21内的涡流效应，提高反应效率，增加产品浓度，本实施例的隔板24包括固定部241和扰流部242，固定部241设有两块，固定部241设置在过氧化氢反应腔体21的两侧并将过氧化氢反应阴极22或过氧化氢反应阳极23固定在过氧化氢反应腔体21的内壁上，过氧化氢反应腔体21的内壁上设有配合固定过氧化氢反应阴极22或过氧化氢反应阳极23的插槽。为了使得电解液能够与电极接触，本实施例中固定部241为格栅板，在实际生产实施中，固定部241还可以直接做成大小与过氧化氢反应腔体21内壁形状吻合的框体或者采用三维多孔聚合纤维制作的支撑板。固定部241上分别设有扰流部242，本实施例中扰流部242呈板状，两块固定部241上的扰流部242相向设置且相互交错已形成用于弯折流通的电解液的弯折流道。扰流部242的数量在确保电解液能够自由流动的情况下，根据过氧化氢反应腔体21的长度增减，本实施例中扰流部242设有十块。当电解也以较高的流速通过进液口211进入到过氧化氢反应腔体21中时，在扰流部242的作用下，产生较大强度的湍流，促进阴极反应的进行。

由于本发明的制备过氧化氢的流动式电化学装置是通过二电子氧还原反应来产生过氧化氢的，总反应为：

H₂+0.5O₂→H₂O₂

在阴极上具体发生的反应如下：

O₂+2(H⁺+e^-)→H₂O₂

因此，阴极电极材料应当选用具有三维结构的材料，以利于阴极催化剂的附着，同时提高阴极的相对表面积，提高产生过氧化氢的效率。本实施例中过氧化氢反应阴极22的材料选用了多孔石墨板，在具体生产实施中还可以采用泡沫镍、烧结钛、活性炭毡或碳纸中的一种。为了抑制阴极端产生的四电子氧还原反应，提高过氧化氢的产量，过氧化氢反应阴极22上涂覆有阴极催化剂，本实施例的阴极催化剂为高比表面积氧化石墨，在具体生产实施中阴极催化剂可以根据阴极材料和电解液的成分在Pt/C、PtHg₄、O-CNTs、氧化石墨、高表面积活化碳粉、M-N-C(M＝Co，Fe，Mn)、功能化碳粉中选择。

同时在电化学反应装置的阳极一侧则发生了水的电解反应，具体如下：

H₂O→0.5O₂+2(H⁺+e^-)

因此过氧化氢反应阳极23材料应当选用性质稳定不易被氧化的及金属材料，如铂、钯、钌、铑、铱、锇、金中的一种或多种与铁、钴或镍中的一种或多种的合金，或者具有宽的电化学势窗、较好的物理化学稳定性以及低吸附特性的非金属材料，如掺硼金刚石薄膜、玻璃碳。本实施例中，过氧化氢反应阳极23为玻璃碳电极。同时为了促进水氧化反应的进行，过氧化氢反应阳极23表面涂覆或沉积有水氧化(OER)催化剂，水氧化(OER)催化剂可以选用NiCoO_x、CoFeO_x、IrO_x/SrIrO₃、IrO₂、RuO₂、FeCoW、NiO_x、NiFeO_x或固态Pt中的一种，本实施例中，过氧化氢反应阳极23上涂覆的水氧化(OER)催化剂为固态Pt。

本实施例的串联流动式过氧化氢电化学产生装置还设有供水箱3、水泵4和蓄水箱5，供水箱3与水泵4的进水口112连接，水泵4的出水口与氧气电化学发生器1的进水口连接，氧气电化学发生器1的出水口113与过氧化氢电化学发生器2的进液口211连接，过氧化氢电化学发生器2的出液口212与蓄水箱5连接。需要时，还可以在蓄水箱5与供水箱3之间设有连通的管道，使得反应的电解液在串联流动式过氧化氢电化学产生装置中循环反应，直到达到需要的浓度。

本实施的串联流动式过氧化氢电化学产生装置相对于现有的外置供气泵装置产生过氧化氢的电化设备，省去了供气泵和相关的管线装置，能提高装置的集成程度和可靠程度，降低了装置的装配要求和成本。同时，在实际生产实施中，氧气电化学发生器1和过氧化氢电化学发生器2灵活的选用不同形状和尺寸的组合来满足不同场景中对于体积、流量和过氧化氢溶液浓度的不同需求，能够极大地提升设备的适应性。

本发明的串联流动式过氧化氢电化学产生装置实施例二参照图4和5所示，设有一个氧气电化学发生器1、两个过氧化氢电化学发生器2、供水箱3、水泵4和蓄水箱5。供水箱3与水泵4的进水口连接，水泵4的出水口与氧气电化学发生器1的进水口112连接，氧气电化学发生器1的出水口113与第一个过氧化氢电化学发生器2的进液口211连接，第一个过氧化氢电化学发生器2与第二个过氧化氢电化学发生器2串联，第一个过氧化氢电化学发生器2的出液口212与第二过氧化氢电化学发生器2的进液口211连接，第二个过氧化氢电化学发生器2的出液口212与蓄水箱5连接，蓄水箱5与供水箱3之间设有连通的管道，使得反应的电解液在串联流动式过氧化氢电化学产生装置中循环反应，直到达到需要的浓度。

本实施例中，过氧化氢电化学发生器2包括过氧化氢反应腔体21、过氧化氢反应阴极22和过氧化氢反应阳极23。本实施例的过氧化氢反应腔体21呈中空的圆柱形，内部是发生电化学反应的电解液腔，进液口211和出液口212分别设置在圆柱形过氧化氢反应腔体21的两个底面上并且相互错开。过氧化氢反应阴极22和过氧化氢反应阳极23沿着过氧化氢反应腔体21的长度方向设置在过氧化氢反应腔体21内部，过氧化氢反应阴极22呈与电解液腔11内壁形状吻合的圆筒状，并固定安装在过氧化氢反应腔体21的内壁上，过氧化氢反应腔体21的内壁上设有能够固定过氧化氢反应阴极22的固定结构；过氧化氢反应阳极23呈条状，设置在过氧化氢反应阴极22的轴心处，过氧化氢反应腔体21的两个底面上设有相对设置的固定插槽固定过氧化氢反应阳极23。供电的外接电源通过穿过过氧化氢反应腔体21的电线与过氧化氢反应阴极22和过氧化氢反应阳极23电连接，过氧化氢反应腔体21上设有供电线穿过的电线孔和密封电线孔的密封边。隔板24为圆柱形的三维多孔聚合纤维板，隔板24的大小与过氧化氢反应阴极22吻合，隔板24插装在过氧化氢反应阴极22内侧，过氧化氢反应阳极23插装在隔板24中。由于三维多孔聚合纤维材料具有良好的可压缩性和一定刚度，可以通过调节材料的压缩量灵活的调节隔板24对过氧化氢反应阴极22的支撑力度，防止过氧化氢反应阴极22和过氧化氢反应阳极23接触造成短路。此外，三维多孔聚合纤维材料的多孔结构可以在电解液通过时，使得电解液产生数量极大的微小湍流，增强阴极和阳极上的离子交换速率，提升过氧化氢的产生速率，提高反应率。本实施例中过氧化氢反应阴极22的材料选用了泡沫镍，过氧化氢反应阴极22上涂覆的阴极催化剂为Pt/C；过氧化氢反应阳极23的材料选用了铱铁合金，过氧化氢反应阳极23表面沉积的水氧化(OER)催化剂为IrO₂。

本实施例的两个过氧化氢电化学发生器2以串联的方式排列，可以使得产生过氧化氢溶液的速率加快，从而提升同一时间内产生的过氧化氢溶液浓度。

本发明的串联流动式过氧化氢电化学产生装置实施例三参照图6所示，与实施例二相似，具体区别在于两个过氧化氢电化学发生器2并联。电解液在氧气电化学发生器1中发生反应后从出水口113中流出，本分流管分成两路，分别流向两个过氧化氢电化学发生器2，两个过氧化氢电化学发生器2同时反应，使得单位时间内生成的过氧化氢溶液的量加倍，以满足大量使用过氧化氢溶液的需求。

考虑的使用方便，本实施例的制备过氧化氢的流动式电化学装置的电解液可以是经过处理的自来水、矿泉水等常见的水体，也可以是雨水、河水、海水等天然水体，还可以是未经处理的生活废水、工业废水等。为了在使用是避免电解液中可能含有的杂质堵塞氧气电化学发生器1，本实施的氧气电化学发生器1的进水口112处设有过滤器6，过滤器6为多孔陶瓷过滤器，以便充分取出电解液中的固体物质。在具体使用中还可以根据过滤需要选用聚合纤维过滤器、活性炭过滤器等不同种类和过滤效果的过滤器。

最后，通过以下实验证明本发明的有益效果。

一、实验设计

使用非流动式不锈钢电极电解槽作为对比试验，实验1、2、3分别采用本发明的实施例一、二、三的制备过氧化氢的流动式电化学装置，以相同水量的自来水为电解液，分别在试验装置中循环反应一小时，每十分钟测试一次电解槽和蓄水池5中过氧化氢溶液的浓度。

具体的实验条件如表一所示。

表一

二、实验结果分析

表二

实验结果如表二和图7所示，实验1中采用本发明实施例一的制备过氧化氢的流动式电化学装置，在一小时的实验时间中，有效产生平衡浓度约为100mg/L的过氧化氢溶液，远高于对比试验的过氧化氢溶液浓度，说明氧气电化学发生器的存在能够有效地推动反应平衡的移动，提升反应平衡时产生的过氧化氢溶液的浓度。而在试验2中，采用实施例二的制备过氧化氢的流动式电化学装置，增加了一个串联的过氧化氢电化学发生器2后，过氧化氢的产生速率和平衡浓度均提高了两倍，说明增加过氧化氢电化学发生器能够有效提升过产生的氧化氢溶液浓度和生产速度。在实验3中，采用实施例三的制备过氧化氢的流动式电化学装置，在额外并联一个过氧化氢发生器后，产生过氧化氢的速率和平衡浓度均比单一过氧化氢反应器时有所提高。而作为对比实验的非流动式不锈钢电极电解槽仅能产生浓度为2mg/L左右的过氧化氢溶液。上述实验结果佐证了本发明可以提供一种有效快速产生所需浓度的过氧化氢溶液的流动式电化学装置。

本发明的串联流动式过氧化氢电化学产生装置将氧气电化学发生器和过氧化氢电化学发生器串联在一起，通过电解水反应提升电解液中的溶解氧浓度，推动过氧化氢电化学发生器发生的电解产生过氧化氢反应H₂+0.5O₂→H₂O₂的反应平衡向着右侧产生过氧化氢的方向移动，从而提升过氧化氢电化学发生器产生的过氧化氢溶液的浓度，简单高效；整个装置更小更节能，能够分散设置，能够满足更多使用环境，即产即用，免去了运输和存储的麻烦，能够极大地拓展过氧化氢这一环保高效的消毒剂在家庭和公共空间中的消毒杀菌和污染物净化的使用。