本發(fā)明屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電催化還原氧氣的陰極材料及其制備方法和用途。

背景技術(shù)：

揮發(fā)性有機物(VOCs)是室內(nèi)空氣中的主要氣態(tài)污染物，包括甲醛和苯系物。這些污染物對人體健康具有很大危害，可致病、致癌、致畸。市場上，消除室內(nèi)空氣中VOCs的凈化技術(shù)主要包括物理吸附、臭氧氧化法、光催化、熱催化氧化法和等離子體凈化技術(shù)。但是這些技術(shù)普遍存在能耗高、具有安全隱患及產(chǎn)生二次污染的問題。

熱催化氧化法具有操作簡單的優(yōu)點，能夠?qū)OCs降解為無毒的CO₂和水。目前，已有室溫條件下就能夠?qū)⒓兹┩耆趸癁镃O₂和水的催化材料和相關(guān)室內(nèi)空氣凈化產(chǎn)品，但氧化降解苯系物的產(chǎn)品還未發(fā)現(xiàn)。由于苯系物分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，室溫條件下熱催化氧化消除苯系物還難以實現(xiàn)。目前，即使是活性最高的催化劑，苯系物燃燒的溫度也要150℃左右，難以應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境條件下的苯系物凈化。因此開發(fā)安全經(jīng)濟(jì)、無二次污染的苯系物消除方法，對提高室內(nèi)空氣質(zhì)量具有非常重要的意義。

電催化氧化技術(shù)的顯著優(yōu)勢是能夠在常溫常壓的條件下，通過改變界面電場有效地降低反應(yīng)體系的能壘，是一種基本對環(huán)境無污染、低能耗的“綠色”技術(shù)，并且所有的有機分子都可以通過電化學(xué)方法氧化。近年來，電催化氧化技術(shù)應(yīng)用于液相有機污染物消除的研究廣泛，從簡單的直鏈有機物到復(fù)雜的多環(huán)芳烴類化合物，電催化方法都可以將這些有毒污染物氧化成CO₂和水。

原理上，利用陽極氧化水蒸氣產(chǎn)生羥基自由基、過氧化氫等高活性氧物種，氧化苯系物；氧化水蒸氣產(chǎn)生的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜，固體電解質(zhì)與陰極的氧氣發(fā)生還原反應(yīng)生成水。整個過程為氣固相反應(yīng)，無液體參與。

基于電催化消除污液相染物的原理和研究經(jīng)驗，本發(fā)明擬提出利用電催化氧化技術(shù)消除室內(nèi)揮發(fā)性有機污染物的陰極材料。

杜玉扣等人研究了三維Pt/石墨烯/碳纖維復(fù)合電極的制備及其對甲醇的電催化氧化(Electrochemical layer-by-layer fabrication of a novel three-dimensional Pt/graphene/carbon fiber electrode and its improved catalytic performance for methanol electrooxidation in alkaline medium，international journal of hydrogen energy,2013,38:6368-6376)，該電極材料包括多層Pt顆粒負(fù)載的石墨烯，制備工藝復(fù)雜，并存在不穩(wěn)定因素，比如沉積Pt之后還需要沉積氧化石墨烯并清洗，之前沉積的Pt會掉落導(dǎo)致實際負(fù)載量不清楚；另外，其僅僅研究了該電極對甲醇的電催化氧化，而沒有研究該電極材料用于氣固反應(yīng)電催化氧化揮發(fā)性有機污染物。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種電催化還原氧氣的陰極材料及其制備方法和用途，所述陰極材料能夠在電催化氧化技術(shù)下通過氣固相反應(yīng)在室溫下將室內(nèi)揮發(fā)性有機物消除，并且消除效率高。

本發(fā)明所述“室溫”如無特殊說明是指20-45℃，如22℃、25℃、28℃、30℃、32℃、35℃、38℃、40℃、42℃或44℃等。所述wt％是指質(zhì)量百分含量。所述v％是指體積百分含量。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明的目的之一在于提供一種電催化還原氧氣的陰極材料，所述陰極材料包括碳紙、部分還原的氧化石墨烯和Pt，所述部分還原的氧化石墨烯負(fù)載于碳紙表面，所述Pt負(fù)載于部分還原的氧化石墨烯表面。

所述碳紙具有高導(dǎo)電性、高強度、高氣體透過率，并且成本低，易獲得，所以適用于氣固相電催化還原氧氣的陰極材料。

所述部分還原的氧化石墨烯是指氧化石墨烯中的含氧官能團(tuán)沒有被完全還原，還保留有一部分(大于0)。

采用部分還原的氧化石墨烯不但可以利用氧化石墨烯表面的含氧官能團(tuán)，還能夠提高氧化石墨烯的導(dǎo)電性，并且還能提高Pt的沉積量。如果所述電催化氧化陰極中采用完全還原的氧化石墨烯，雖然電極導(dǎo)電性提高很多，但是，由于氧化石墨烯表面的含氧官能團(tuán)完全被還原，不再發(fā)揮作用，并且氧化石墨烯完全還原會導(dǎo)致負(fù)載Pt的能力會下降很多。另外，完全還原的氧化石墨烯不能負(fù)載到碳紙上。

所述碳紙和Pt的質(zhì)量比為10-65:1，如12:1、15:1、18:1、20:1、25:1、30:1、40:1、45:1或55:1等，優(yōu)選為50:1。

所述部分還原的氧化石墨烯的負(fù)載量很少，在碳紙表面僅負(fù)載有幾層(≥1層，如1層、2層、3層、5層、6層、8層、10層或15層等)部分還原的氧化石墨烯。

優(yōu)選地，所述Pt的粒徑大小為100-200nm，如120nm、130nm、140nm、150nm、160nm、170nm、180nm或190nm等。

氣固相電催化的電荷傳質(zhì)過程完全是靠界面反應(yīng)，所以要求陰極和陽極的電極界面反應(yīng)速率快，陰極Pt負(fù)載量如果小會使陰極反應(yīng)速率不夠快，影響電子和質(zhì)子消耗速率，從而降低陽極反應(yīng)速率，導(dǎo)致整個體系降解VOCs的效率下降。而本發(fā)明提供的電催化氧化陰極，其由于使用部分還原的氧化石墨烯，表面還保留有部分含氧官能團(tuán)，在氣固相電催化的過程中能夠發(fā)揮促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行的作用，并且，所述部分還原的氧化石墨烯還有利于Pt的負(fù)載。

本發(fā)明的目的之一還在于提供一種電催化還原氧氣的陰極材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

(1)對碳紙進(jìn)行親水性處理，得到親水性碳紙；

(2)焙燒親水性碳紙，得到焙燒產(chǎn)物；

(3)將焙燒產(chǎn)物置于氧化石墨烯的分散液中，并超聲，得到表面負(fù)載有氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物；

(4)將步驟(3)得到的產(chǎn)物中的氧化石墨烯部分還原，得到表面負(fù)載有部分還原的氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物；

(5)在部分還原的氧化石墨烯表面沉積Pt，得到所述陰極材料。

步驟(1)所述親水性處理為：將碳紙置于非離子型表面活性劑中浸泡，之后置于去離子水中超聲清洗。

優(yōu)選地，所述非離子型表面活性劑選自曲拉通X-100。

優(yōu)選地，所述碳紙在非離子型表面活性劑中浸泡的時間為8-24h，如9h、10h、11h、13h、15h、17h、19h、21h或23h等。

優(yōu)選地，所述超聲清洗的時間為2h。

對碳紙的親水性會影響其電化學(xué)性能，因此，必須對碳紙進(jìn)行親水性處理。

步驟(2)所述焙燒在馬弗爐中進(jìn)行。

優(yōu)選地，步驟(2)所述焙燒的時間為5h。

優(yōu)選地，步驟(2)所述焙燒的溫度為200-400℃，如210℃、220℃、250℃、270℃、310℃、330℃、350℃、370℃或390℃等。

焙燒親水性處理后的碳紙增加了碳紙表面的含氧官能團(tuán)和缺陷位，有利于其吸附更多的氧化石墨烯。

步驟(3)所述氧化石墨烯分散液的濃度為0.1-0.5wt％，如0.2wt％、0.3wt％、0.35wt％、0.4wt％、0.45wt％或0.48wt％等。

優(yōu)選地，步驟(3)所述超聲的時間為1-5h，如1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h或4.5h等。超聲處理進(jìn)一步增加了焙燒產(chǎn)物表面吸附氧化石墨烯的量，并且超聲還能促進(jìn)氧化石墨烯分散液滲透至焙燒產(chǎn)物內(nèi)部；另外，在超聲過程中吸附到碳紙上的氧化石墨烯不容易掉落，有利于氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的分散均勻。

步驟(4)使用弱還原劑將氧化石墨烯部分還原，所述弱還原劑選自抗壞血酸溶液。

優(yōu)選地，所述抗壞血酸溶液的濃度為1-10mg mL^-1，如2mg mL^-1、3mg mL^-1、4mg mL^-1、5mg mL^-1、6mg mL^-1、7mg mL^-1、8mg mL^-1或9mg mL^-1等。

優(yōu)選地，步驟(4)所述部分還原為：將步驟(3)得到的產(chǎn)物置于濃度為1-10mg mL^-1的抗壞血酸溶液中靜置8-24h，如9h、10h、11h、13h、15h、17h、19h、21h或23h等。

步驟(5)采用如下方法沉積Pt：將表面負(fù)載有部分還原的氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物作為陰極，以Pt片為陽極，采用含有NH₄Cl和PtCl₄的pH值為1的電鍍液，以20mA的電流電鍍10-20min，如12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min或19min等。

優(yōu)選地，所述NH₄Cl的濃度為10mM。

優(yōu)選地，所述PtCl₄的濃度為1mM。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述制備方法包括如下步驟：

(1)將碳紙置于曲拉通非離子型表面活性劑中浸泡8-24h，取出后用去離子水超聲清洗2-4h，得到親水性碳紙；

(2)將親水性碳紙在200-400℃焙燒5h，得到焙燒產(chǎn)物；

(3)將焙燒產(chǎn)物置于濃度為0.1-0.5wt％的氧化石墨烯分散液中，超聲1-5h，取出后得到表面負(fù)載有氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物；

(4)將步驟(3)得到的產(chǎn)物置于濃度為1-10mg mL^-1的抗壞血酸溶液中靜置8-24h，之后在40-80℃水浴中靜置2h，得到表面負(fù)載有部分還原的氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物；

(5)將表面負(fù)載有部分還原的氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物作為陰極，以Pt片為陽極，采用含有10mM的NH₄Cl和1mM的PtCl₄的pH值為1的電鍍液，以20mA的電流電鍍10-20min，在部分還原的氧化石墨烯表面沉積Pt，得到所述陰極材料。

本發(fā)明的目的之一還在于提供一種如上所述的電催化還原氧氣的陰極材料的用途，其用于氣固相電催化反應(yīng)消除揮發(fā)性有機污染物。所述揮發(fā)性有機污染物優(yōu)選為苯。所述氣固相反應(yīng)可在室溫下進(jìn)行。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供的電催化還原氧氣的陰極材料可用于氣固相電催化消除揮發(fā)性有機污染物，并且所述氣固相電催化反應(yīng)可在室溫下進(jìn)行，大大降低了能耗，使室溫氣固相電催化消除揮發(fā)性有機污染物成為可能；

本發(fā)明提供的電催化還原氧氣的陰極材料用于室溫氣固相電催化消除揮發(fā)性有機污染物的消除效率高，5h內(nèi)可將30ppm的苯全部氧化；

本發(fā)明提供的電催化還原氧氣的陰極材料的制備方法簡單，適宜于規(guī)模化制備。

附圖說明

圖1為實施例3提供的碳紙的SEM圖。

圖2為實施例3提供的負(fù)載了部分還原的氧化石墨烯的碳紙的SEM圖。

圖3為實施例3提供的電催化還原氧氣的陰極材料的低倍放大SEM圖。

圖4為實施例3提供的電催化還原氧氣的陰極材料的高倍放大SEM圖。

圖5為實施例3、對比例1、對比例3和對比例4得到的陰極用于電催化體系電催化氧化苯的活性曲線圖。其中：▲表示實施例3◆表示對比例1■表示對比例2●表示對比例3。

圖6為實施例3、對比例1、對比例3和對比例4得到的陰極用于電催化體系中電催化氧化苯產(chǎn)生的CO₂和CO的含量的曲線圖。其中：▲表示實施例3產(chǎn)生的CO₂含量；◆表示對比例1產(chǎn)生的CO₂含量；■表示對比例2產(chǎn)生的CO₂含量；●表示對比例3產(chǎn)生的CO₂含量；△表示實施例3產(chǎn)生的CO含量；◇表示對比例1產(chǎn)生的CO含量；□表示對比例3產(chǎn)生的CO含量；○表示對比例4產(chǎn)生的CO含量。

圖7為對比例1提供的陰極材料的低倍放大SEM圖。

圖8為對比例1提供的陰極材料的高倍放大SEM圖。

圖9為本發(fā)明一種實施方式提供的氣-固電催化氧化電解池的結(jié)構(gòu)示意圖，其中：1，第一出氣口；2，第一進(jìn)氣口；3-1，第一接線柱；3-2，第二接線柱；3-3，第三接線柱；4，一體結(jié)構(gòu)；5，陽極氣室；6，陰極氣室；7，第二出氣口；8，第二進(jìn)氣口；9-1，第一密封件；9-2，第二密封件；10-1，第三密封件；10-2，第四密封件。

圖10a為預(yù)處理后的Ti基底表面的SEM圖；

圖10b和圖10c為Ti/Sb-SnO₂電極在不同放大倍數(shù)條件下的SEM圖；

圖11為Ti/Sb-SnO₂電極的XRD圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

實施例1

一種電催化還原氧氣的陰極材料包括碳紙、部分還原的氧化石墨烯和Pt，所述部分還原的氧化石墨烯負(fù)載于碳紙表面，所述Pt負(fù)載于部分還原的氧化石墨烯表面，所述碳紙和Pt的質(zhì)量分別為76mg和1.5mg，所述Pt的粒徑平均尺寸為150nm。

一種電催化還原氧氣的陰極材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將碳紙置于曲拉通X-100非離子型表面活性劑中浸泡8h，取出后用去離子水浸泡2h，超聲清洗后得到親水性碳紙；

(2)焙燒親水性碳紙5h，得到焙燒產(chǎn)物；

(3)將焙燒產(chǎn)物置于濃度為0.3wt％的氧化石墨烯分散液中，超聲1h，取出后得到表面負(fù)載有氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物；

(4)將步驟(3)得到的產(chǎn)物置于濃度為5mg mL^-1的抗壞血酸溶液中靜置24h，得到表面負(fù)載有部分還原的氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物；

(5)將表面負(fù)載有部分還原的氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物作為陰極；以Pt片為陽極，采用含有10mM的NH₄Cl和1mM的PtCl₄的pH值為1的電鍍液，以20mA的電流電鍍10min，在部分還原的氧化石墨烯表面沉積Pt，得到所述電催化還原氧氣的陰極材料。

實施例2

一種電催化還原氧氣的陰極材料包括碳紙、部分還原的氧化石墨烯和Pt，所述部分還原的氧化石墨烯負(fù)載于碳紙表面，所述Pt負(fù)載于部分還原的氧化石墨烯表面，所述碳紙和Pt的質(zhì)量分別為76mg和4.5mg，所述Pt的粒徑平均尺寸為100nm。

一種電催化還原氧氣的陰極材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將碳紙置于曲拉通X-100非離子型表面活性劑中浸泡24h，取出后用去離子水浸泡2h，超聲清洗后得到親水性碳紙；

(2)焙燒親水性碳紙5h，得到焙燒產(chǎn)物；

(3)將焙燒產(chǎn)物置于濃度為0.5wt％的氧化石墨烯分散液中，超聲5h，取出后得到表面負(fù)載有氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物；

(4)將步驟(3)得到的產(chǎn)物置于濃度為10mg mL^-1的抗壞血酸溶液中靜置8h，得到表面負(fù)載有部分還原的氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物；

(5)將表面負(fù)載有部分還原的氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物作為陰極，以Pt片為陽極，采用含有10mM的NH₄Cl和1mM的PtCl₄的pH值為1的電鍍液，以20mA的電流電鍍30min，在部分還原的氧化石墨烯表面沉積Pt，得到所述電催化還原氧氣的陰極材料。

實施例3

一種電催化還原氧氣的陰極材料，包括碳紙、部分還原的氧化石墨烯和Pt，所述部分還原的氧化石墨烯負(fù)載于碳紙表面，所述Pt負(fù)載于部分還原的氧化石墨烯表面，所述碳紙和Pt的質(zhì)量分別為76mg和7.5mg，所述Pt的粒徑平均尺寸為200nm。

一種電催化還原氧氣的陰極材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將碳紙置于曲拉通X-100非離子型表面活性劑中浸泡12h，取出后用去離子水浸泡2h，超聲清洗后得到親水性碳紙；

(2)焙燒親水性碳紙5h，得到焙燒產(chǎn)物；

(3)將焙燒產(chǎn)物置于濃度為0.1wt％的氧化石墨烯分散液中，超聲3h，取出后得到表面負(fù)載有氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物；

(4)將步驟(3)得到的產(chǎn)物置于濃度為1mg mL^-1的抗壞血酸溶液中靜置12h，得到表面負(fù)載有部分還原的氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物；

(5)將表面負(fù)載有部分還原的氧化石墨烯的焙燒產(chǎn)物作為陰極，以Pt片為陽極，采用含有10mM的NH₄Cl和1mM的PtCl₄的pH值為1的電鍍液，以20mA的電流電鍍120min，在部分還原的氧化石墨烯表面沉積Pt，得到所述電催化還原氧氣的陰極材料。如圖1為碳紙的SEM圖，從圖中可以看出，其表面光滑；圖2為沉積了部分還原的氧化石墨烯的碳紙的SEM圖，其表面粗糙。所述電催化還原氧氣的陰極材料如圖3和4所示，從圖中可以看出Pt在碳纖維表面的生長受石墨烯片層結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)，形成薄片豎立在石墨烯表面，寬度約為200nm。

對比例1

一種陰極材料，包括碳紙和沉積在碳紙上的Pt。

所述陰極材料的制備方法包括如下步驟：

(1)將碳紙置于曲拉通X-100非離子型表面活性劑中浸泡8h，取出后用去離子水浸泡2h，超聲清洗后得到親水性碳紙；

(2)焙燒親水性碳紙5h，得到焙燒產(chǎn)物；

(3)將焙燒產(chǎn)物作為陰極，以Pt片為陽極，采用含有10mM的NH₄Cl和1mM的PtCl₄的pH值為1的電鍍液，以20mA的電流電鍍10min，在焙燒產(chǎn)物表面沉積Pt，得到所述陰極材料，如圖7和8所示，從圖中可以看出Pt呈大片層狀結(jié)構(gòu)疊加堆積在活性炭纖維表面。

對比例2

一種陰極材料的制備方法，除步驟(4)中使用強還原劑NaBH₄溶液將氧化石墨烯全部還原為石墨烯外，其余與實施例1所述的制備方法相同。

結(jié)果表明，采用強還原劑還原的石墨烯無法負(fù)載到碳紙表面。

對比例3

一種Pt絲陰極，長度為10cm。

對比例4

一種陰極，其制備方法除步驟(4)為：采用電化學(xué)還原法將步驟(3)得到的產(chǎn)物中的氧化石墨烯還原，還原電位為-0.9V(相對于甘汞電極)，在Na-PBS溶液中進(jìn)行，濃度為1.0M，pH值為4.12，還原時間為1000s，得到表面負(fù)載有還原石墨烯的焙燒產(chǎn)物；其余與實施例1所述的制備方法相同。

對比例5

一種陰極材料，其制備方法除將步驟(1)中的碳紙?zhí)鎿Q為泡沫鎳，其余與實施例1所述的制備方法相同。

對比例6

一種陰極材料，其制備方法除不包括步驟(5)外，其余與實施例1相同。

性能測試：

以實施例3和對比例1制得的陰極材料分別作為陰極，以Ti/Sb-SnO₂電極作為陽極，在室溫外加2V電壓條件下，電催化氧化苯，測試其電催化氧化苯的活性。

所述Ti/Sb-SnO₂電極的制備方法包括如下步驟：

(1)首先用濃度為10wt％-20wt％的NaOH溶液在80℃條件下浸泡金屬Ti基底10min；之后浸入濃度為10wt％的草酸溶液中煮沸1-3h；再用蒸餾水超聲清洗金屬鈦基底表面的草酸和草酸鈦，得到預(yù)處理后的金屬Ti基底；

(2)采用電沉積方法在預(yù)處理后的Ti基底上電鍍Sn和Sb，得到表面有鍍層的Ti基底，其中，電鍍液為含有1-2M SnCl₄、0.2-1M Sb的可溶性化合物和0.1-1M HNO₃的乙二醇溶液，所述電鍍使用Pt片為陽極；電鍍的電流為10-15mA cm^-2；電鍍的時間為15-60min；

(3)在表面有鍍層的金屬Ti基底上涂覆漿液，在100℃條件下干燥5min后，在500℃條件下焙燒，升溫速率為5℃min^-1，得到活性成分層位于Ti基底表面的電催化電極，其中，漿液為含有0.2-1M SnCl₄、0.02-0.1M Sb的可溶性化合物、0.001-0.1M F的可溶性化合物及0.1-1M HNO₃的異丙醇和正丁醇的混合溶液，活性成分層是由納米顆粒堆砌而成，且活性成分層為摻雜的SnO₂層，摻雜元素包括F和Sb。

具體測試時，使用負(fù)載量為SnO₂-Sb₂O₃的負(fù)載量為7.7mg cm^-2的Ti/Sb-SnO₂電極作為電催化陽極，其制備方法包括如下步驟：

一種Ti/Sb-SnO₂的制備方法，包括如下步驟：

(1)采用泡沫鈦做基底，首先用20wt％NaOH溶液在80℃浸泡該基底10 min，去掉表面油污；之后用10wt％草酸溶液煮沸3h，經(jīng)草酸刻蝕的泡沫鈦表面呈灰色麻面，如圖10a；用蒸餾水超聲清洗鈦基底表面的草酸和草酸鈦，得到預(yù)處理后的泡沫Ti基底；

(2)在預(yù)處理后的泡沫Ti基底上電鍍Sn和Sb，鍍液為：1M SnCl₄、0.2M SbCl₃和0.1M HNO₃的乙二醇溶液，Pt片為陽極，電流為15mA cm^-2，電鍍時間為60min；之后在500℃焙燒30min，得到表面有SnO₂和Sb₂O₃的Ti基底；

(3)在表面有SnO₂和Sb₂O₃的Ti基底上刷漿，漿液組成：0.5M SnCl₄、0.02M SbCl₃、0.001M NaF、0.1M HNO₃的50mL異丙醇和正丁醇混合溶液，刷漿后放入100℃烘箱干燥5min；之后再刷漿，干燥；

(4)重復(fù)步驟(3)10次后再在500℃焙燒，在泡沫Ti基底上生成7.7mg cm^-2的SnO₂-Sb₂O₃氧化層，即為Ti/Sb-SnO₂電極。對得到的Ti/Sb-SnO₂電極進(jìn)行XRD和SEM測試，結(jié)果如圖11、圖10b和圖10c所示。從圖11可以看出得到的氧化層將泡沫Ti基底全部覆蓋，Sb進(jìn)入SnO₂晶格引起SnO₂衍射峰紅移；從圖10b和圖10c可以看出得到的氧化層致密無龜裂，由納米顆粒堆砌而成，摻雜的SnO₂的顆粒大小為1-10nm，如2nm、5nm、7nm或9nm等。經(jīng)分析，所述摻雜元素包括F和Sb，F(xiàn)和Sb的總摩爾量與Sn的摩爾量之比為0.04；所述Sb和F的摩爾比為10:1。

所述測試在用于氣-固相電催化反應(yīng)的反應(yīng)器(如圖9所示)上進(jìn)行。所述反應(yīng)器包括陽極氣室5、陰極氣室6、電催化陽極、隔膜和電催化陰極，所述電催化陽極和電催化陰極均可透氣；所述隔膜不透氣，且質(zhì)子能夠通過所述隔膜；

所述隔膜置于電催化陽極和電催化陰極之間，且三者組成整體，構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)4；所述一體結(jié)構(gòu)4通過將電催化陽極、隔膜和電催化陰極在2-10公斤的壓力下壓合得到；

所述陽極氣室5和陰極氣室6獨立地為設(shè)有通孔的腔體，所述一體結(jié)構(gòu)4置于陽極氣室5的通孔和陰極氣室6的通孔之間，并將陽極氣室5的通孔和陰極氣室6的通孔覆蓋；

所述陽極氣室5設(shè)置有第一進(jìn)氣口2、第一出氣口1和第一導(dǎo)線，第一導(dǎo)線的一端與電催化陽極相連，另一端沿陽極氣室5的內(nèi)壁與電源的正極相連；所述第一進(jìn)氣口2中還設(shè)置第一進(jìn)氣管，所述第一進(jìn)氣管包括導(dǎo)流段和擴大段，所述擴大段的直徑大于導(dǎo)流段的直徑，所述第一進(jìn)氣管的擴大段位于陽極氣室5中；

作為優(yōu)選，所述陽極氣室5還設(shè)置第一接線柱3-1；所述第一導(dǎo)線鹽陽極氣室5的內(nèi)壁，一端與電催化陽極相連，另一端與第一接線柱3-1相連；

作為優(yōu)選，所述陽極氣室5還設(shè)置有第一密封件9-1和第三密封件10-1；

所述陰極氣室6設(shè)置有第二進(jìn)氣口8、第二出氣口7和第二導(dǎo)線，第二導(dǎo)線的一端與電催化陰極相連，另一端沿陰極氣室6的內(nèi)壁與電源的負(fù)極相連；所述第二進(jìn)氣口8中還設(shè)置第二進(jìn)氣管，所述第二進(jìn)氣管包括導(dǎo)流段和擴大段，所述擴大段的直徑大于導(dǎo)流段的直徑，所述第二進(jìn)氣管的擴大段位于陰極氣室6中。

作為優(yōu)選，所述陰極氣室6還設(shè)置第二接線柱3-2和第三接線柱3-3，所述第二導(dǎo)線沿陽極氣室5的內(nèi)壁，一端與電催化陰極相連，另一端與第二接線柱3-2相連；所述第三接線柱3-3用于連接參比電極；

作為優(yōu)選，所述陰極氣室6還設(shè)置第二密封件9-2和第四密封件10-2；所述第一密封件9-1與第二密封件9-2配合；所述第三密封件10-1與第四密封件10-2配合；使得陽極氣室5與陰極氣室6密封連接；

所述隔膜為質(zhì)子交換膜，例如Nafion117。

利用如上所述的反應(yīng)器電催化氧化消除揮發(fā)性有機污染物的方法，所述方法包括如下步驟：

(1)將電催化陽極與電催化陰極分別與電壓為2-4V直流電源的正極和負(fù)極相連；

(2)將含有水蒸氣的揮發(fā)性有機污染物和含氧氣體分別通入陽極氣室和陰極氣室，含有水蒸氣的揮發(fā)性有機物的流速為20-100mL min^-1，含有水蒸氣的揮發(fā)性有機污染物濕度為100％；含氧氣體的流速為4-20mL min^-1；含氧氣體中所述氧氣的含量為10-20v％；揮發(fā)性有機污染物中的水蒸氣在電催化陽極發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生活性氧物種和質(zhì)子，活性氧物種礦化揮發(fā)性有機污染物，質(zhì)子通過隔膜后在電催化陰極與氧氣發(fā)生還原反應(yīng)生成水，所述氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的溫度為20-45℃。

測試條件模擬空氣組成，陽極氣室各組分濃度為：30ppm苯、室溫飽和水蒸氣、空氣，氣體流速為100mL min^-1；陰極氣室：80％N₂和20％O₂。反應(yīng)氣體和產(chǎn)物用氣相色譜和PTR-QTOF質(zhì)譜檢測儀檢測，測試結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖中可以看出：實施例3得到的電催化還原氧氣的陰極材料能夠?qū)?0ppm苯完全轉(zhuǎn)化成CO₂和CO，且CO₂的體積超過80％；且其消除苯的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對比例1得到的陰極的活性。另外，從圖6可以看出，用實施例3得到的陰極電催化氧化苯主要產(chǎn)生的氣體為CO₂(體積含量為80％以上)，僅有少量的CO。

對對比例3和對比例4得到的陰極同樣進(jìn)行實施例3和對比例1得到的陰極進(jìn)行的性能測試，測試條件保持不變，結(jié)果如圖5和圖6所示，從圖中可以看出：相同時間(5h)對比例3～對比例4得到的陰極消除苯的效率僅為45％和85％(見圖5)，明顯低于實施例3得到的電催化氧化陰極消除苯的活性。而實施例1和實施例2得到的陰極材料用于相同的測試具有與實施例3所述的陰極材料相同的活性。

對對比例5和對比例6得到的陰極同樣進(jìn)行實施例3和對比例1得到的陰極進(jìn)行的性能測試，測試條件保持不變，結(jié)果表明，相同時間(5h)對比例5和對比例6得到的陰極消除苯的效率僅為30％和40％，明顯低于實施例3得到的電催化氧化陰極消除苯的活性。

申請人聲明，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。