一种用于甲醛检测和降解的器件

1.本发明涉及电化学技术领域，具体涉及一种用于甲醛检测和降解的器件。


背景技术：

2.甲醛作为一种有毒的有机化合物，严重危害人们的身体健康。甲醛对皮肤粘膜有刺激作用，还会诱发支气管哮喘、鼻咽部肿瘤等病症。甲醛中毒对孕妇、婴幼儿和老人的危害更大。室内甲醛标准范围是不能超过0.08mg/m3，室内的甲醛浓度达到0.15-0.2mg/m3属于轻度的甲醛升高。据报道，在每立方米空气中，甲醛浓度达到0.06-0.07mg/m3时幼儿会发生轻微气喘；达到0.1mg/m3时会有异味；达到0.5mg/m3时会刺激眼睛引起流泪；达到0.6mg/m3会引起咽喉不适；浓度更高时会引起恶心呕吐，咳嗽，甚至肺水肿；达到30mg/m3时会立即致人死亡。日常生活中的甲醛主要来源于建筑材料和装修材料中，尤其在刚装修完的新房中，装修材料中含甲醛最多的材料有地板、木门、油漆，其中地板含甲醛量最高。目前，甲醛检测的方法有电化学传感器法、气相色谱法、分光光度法等。甲醛的降解方法有物理吸附净化、光催化降解、生物降解等。并且现有技术中以电化学法检测甲醛所用纳米材料，一般需要负载价格昂贵的贵金属，且只能实现检测不能降解甲醛。使用甲醛检测方法检测到高浓度甲醛，然后使用甲醛降解方法，一段时间后需要再次使用甲醛检测方法进行甲醛气体剩余量的检测，无法同时实现甲醛的检测和降解。将甲醛检测和甲醛降解两种方法结合起来操作步骤复杂、成本高。所以需要一种操作简单的方法，同时实现甲醛气体检测和降解，使其能够用于随时随地的甲醛的检测和降解，随时查看甲醛降解情况。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种用于甲醛检测和降解的器件。本发明可以同时实现空气中甲醛的检测和降解，也可以实现其他醛类和醇类的检测和降解，具有体积小、携带轻便、操作简单的优势。适合日常生活中随时随地实现甲醛的检测和降解，适合在相关技术领域推广使用。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.本发明的第一方面，提供一种复合电极，所述复合电极的一面设有保护层、另一面设有粗化层；所述复合电极上分布贯通保护层和粗化层的通孔。
6.优选的，所述复合电极的制备方法为：在金属片的一面覆上保护层，然后利用激光在金属片的另一面进行粗化并打通孔，得到复合电极。
7.优选的，所述金属片的材质选自镍、铁、铜、钴、钼、钛、铂、钌、钽或上述金属的合金。
8.优选的，所述粗化的参数为：激光功率为1～100w，激光重复频率为10～100khz，激光扫描速度为20～104mm/s。
9.本发明的第二方面，提供所述的复合电极在如下1)～3)至少一项中的用途：
10.1)制备检测和/或降解甲醛的装置；
11.2)检测甲醛；
12.3)降解甲醛。
13.本发明的第三方面，提供一种用于甲醛检测和降解的器件，包括壳体和壳体内纵向设置的阳极电极和阴极电极；所述阳极电极和阴极电极均为复合电极；所述壳体的底部和顶部分别设有进气口和排气口，所述进气口和排气口位于壳体的同一侧；所述壳体内纵向设有隔膜；所述隔膜的一面为亲水面、另一面为亲气面，所述隔膜的亲气面朝向进气口和排气口；所述隔膜的亲水面与壳体侧壁围成的空间内充满电解液；所述阳极电极和阴极电极位于电解液内，所述阳极电极和阴极电极的一端分别与外部电源的正极和负极连接；所述壳体的顶部还设有带刻度的透明气管，所述透明气管上设有阀门，所述透明气管与电解液连通，所述透明气管在水平面上的投影位于阴极电极的粗化层与壳体侧壁在水平面上的投影所形成的平面内；所述阳极电极的保护层面向阴极电极的保护层；所述阳极电极的粗化层面向隔膜的亲水面。
14.所述电解液为koh溶液。复合电极上设置通孔是为了方便电解液通过阳极电极和阴极电极上的通孔充满壳体和隔膜所形成的空间。
15.优选的，所述进气口上设有进气风扇。
16.优选的，所述阳极电极的两端与阴极电极的两端之间设有密封垫，所述阳极电极的两端与隔膜之间设有密封垫。
17.优选的，所述透明气管上设有气体流量计；所述透明气管与氢气收集装置连通。
18.本发明中，当甲醛浓度很低时，降解产生少量气泡；透明气管中含有部分电解液，当阳极氧化甲醛、阴极产生氢气后，氢气通过透明气管排出，透明气管内产生氢气气泡，透明气管内的电解液高度发生变化；可以根据产生的氢气体积通过公式计算出甲醛的浓度。
19.当甲醛浓度较高时，可以将气体流量计与plc控制器连接，预先输入计算公式，这样可以实时得到甲醛的浓度，此方法也适用于甲醛浓度极低时。
20.本发明的第四方面，提供所述的用于甲醛检测和降解的器件在同时检测和降解甲醛中的应用。
21.本发明的有益效果：
22.1.本发明公开了一种甲醛检测和降解器件，利用阳极电极的电催化甲醛氧化性能将空气中的甲醛气体进行氧化降解，通过观察阴极电极是否产生氢气随时随地判断阳极的电催化甲醛氧化反应是否发生，定性地判断空气中是否有甲醛，通过测量氢气的体积换算得到甲醛的浓度，实现甲醛浓度的定量检测。因此，该器件可以实现甲醛检测和降解同时进行。
23.2.本发明采用电化学催化法实现甲醛的降解，将甲醛降解为二氧化碳和水，实现了甲醛的完全降解，避免了活性炭等吸附类除醛用品会出现甲醛再挥发的问题；同时本发明采用的催化电极存在于器件内部，且为板状结构，避免了高锰酸钾颗粒类除醛剂本身的二次污染；同时本发明的甲醛降解产物为二氧化碳和水，催化电极为器件内的金属材料，电极无毒、无害，降解过程也不会产生有毒物质，避免了传统除醛仪如臭氧除醛仪工作过程中臭氧污染对人体的危害，具有器件和降解过程无毒无害的优势。因此，本发明的甲醛降解方法具有降解完全、无二次污染、无毒无害等多重优点。
24.3.本发明公开了一种甲醛检测和降解器件，该器件结构简单、体积小、便于携带，
同时具有成本低、操作简单的优势，适合日常生活中随时随地实现甲醛的检测和降解，适合在相关技术领域推广使用。
25.4.本发明公开了一种甲醛检测和降解器件，该器件可以通过改变电极材料实现不同类型的醇类和醛类有机物的检测和降解。
26.5.本发明采用的复合电极，制备方法简单，同时具有优异的电催化析氢和电催化甲醛氧化的功能，可以有效地降低应用的电解电压，从而降低成本。
附图说明
27.图1为实施例1的甲醛检测和降解器件的结构示意图；其中：1-壳体，2-阳极电极，3-阴极电极，4-进气口，5-排气口，6-隔膜，7-电解液，8-透明气管，9-密封垫，10-气体流量计，11-进气风扇，12-亲气面，13-亲水面，14-阀门，15-保护层，16-粗化层。
28.图2为隔膜与阳极电极和阴极电极的结构示意图；
29.图3为实施例1的复合电极的结构扫描电镜图；
30.图4为实施例1的复合电极的x射线衍射图；
31.图5为实施例1的复合电极在ph＝14时的电催化析氢的lsv曲线图。
32.图6为实施例1的复合电极在ph＝14时的电催化甲醛氧化的lsv曲线图。
33.图7为实施例1的复合电极降解甲醛的速率图。
34.图8为实施例1的复合电极在ph＝14时的电催化析氢和电催化甲醛氧化或电催化产氧的两电极测试lsv曲线图。
35.图9为复合电极的结构示意图。
具体实施方式
36.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
37.正如背景技术部分介绍的，甲醛作为一种有毒的有机化合物，严重危害人们的身体健康。目前的甲醛检测和降解很难用一种方法同时实现，而将两种方法结合起来操作步骤复杂、成本高。
38.基于此，本发明的目的是提供一种用于甲醛检测和降解的器件，利用电化学方法同时实现甲醛的检测和降解。甲醛气体通过隔膜进入电解液中，然后在阳极的粗化层上被氧化，将甲醛降解为二氧化碳和水，水在阴极发生析氢反应，生成氢气。氢气通过透明气管被排出，同时可以通过产生的氢气计算甲醛的浓度。本发明利用阳极电极的电催化甲醛氧化性能将空气中的甲醛气体进行氧化降解，利用阴极电极是否产生氢气判断阳极电极的电催化甲醛氧化反应是否发生，定性地判断空气中是否有甲醛，通过测量产生的氢气量换算得到甲醛的浓度，实现甲醛浓度的定量检测。可以实现空气中甲醛的检测和降解同时进行，具有体积小、携带轻便、操作简单的优势，有望得到广泛的应用。
39.为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本技术的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本技术的技术方案。
40.说明：实施例所用隔膜购自上海河森电气有限公司，型号为hcp135，厚度为0.32
±
0.02mm，黑色面为隔膜的亲气层(亲气层出厂前已做疏水处理)。
41.本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。
42.实施例1：一种甲醛检测和降解器件
43.如图1～2所示，包括壳体1和壳体1内纵向设置的阳极电极2和阴极电极3；所述阳极电极2和阴极电极3均为复合电极；所述壳体1的底部和顶部分别设有进气口4和排气口5，所述进气口4和排气口5位于壳体1的同一侧；所述壳体1内纵向设有隔膜6；所述隔膜6的一面为亲水面13、另一面为亲气面12，所述隔膜6的亲气面12朝向进气口4和排气口5；所述隔膜6的亲水面13体1侧壁围成的空间内充满电解液7；所述阳极电极2和阴极电极3位于电解液7内，所述阳极电极2和阴极电极3的一端分别与外部电源的正极和负极连接；所述壳体1的顶部还设有带刻度的透明气管8，所述透明气管8上设有阀门14，所述透明气管8与电解液7连通，所述透明气管8在水平面上的投影位于阴极电极3的粗化层16与壳体1侧壁之间；所述阳极电极2的保护层15面向阴极电极3的保护层15；所述阳极电极2的粗化层16面向隔膜6的亲水面13。
44.所述进气口4上设有进气风扇11。所述阳极电极2的两端与阴极电极3的两端之间设有密封垫9，所述阳极电极2的两端与隔膜6之间也设有密封垫9。所述透明气管8上设有气体流量计10；所述透明气管8与氢气收集装置连通。
45.透明气管为亚克力材质，电解液的水平面位于透明气管内，便于观察氢气气泡的产生，透明气管上标有刻度，可以测量产生的氢气的体积。阳极电极和阴极电极上有保护层的面没有催化性能，面对面放置，确保阳极的保护层与阴极的保护层之间不发生反应。电解液是koh溶液(浓度为1mol/l)。电池的正负极分别连接到阳极电极和阴极电极，为电化学反应提供电能。
46.当进气风扇将含有甲醛的空气流通到壳体内，甲醛透过隔膜溶解在电解液中到达阳极电极的表面，电极上的电化学反应被开启，电化学反应包括阴极电极表面的电催化析氢和阳极电极表面的电催化甲醛氧化。甲醛在阳极电极表面发生电催化甲醛氧化反应被氧化降解，阴极电极表面的电催化析氢产生氢气，可以在透明气管处进行观察氢气气泡的产生。由于产生的氢气的量较少，可通过观察氢气气泡的多少，定性的判断甲醛的浓度，通过透明气管的刻度读出氢气的体积，根据氢气和甲醛氧化的产物之间的化学计量比换算得到甲醛的浓度。
47.本实施例中的复合电极材料为镍，复合电极的制备方法如下：先在镍片的一面涂上保护层，然后利用激光在另一面粗化及打通孔。在金属片一面涂上保护层可以防止该面上发生催化反应，从而防止阳极电极和阴极电极之间发生反应产生气体影响器件的运行；激光在另一面粗化是为了提高电极的催化活性和比表面积，提高催化反应的效率；激光打通孔可以保证电解液的传输。选取0.2mm厚度的镍片，将pet胶带粘在镍片的一面形成保护层。打开光纤激光器，激光器中心波长为1064nm，脉冲宽度为100ns，重复频率20khz，单脉冲能量1mj。利用激光的烧蚀作用将镍片的另一面进行表面粗化，激光标刻扫描速度2000mm/s，激光功率为10w，线形扫描，线间距100μm。再次使用激光在镍片上打出微小的通孔阵列，孔尺寸为50μm，孔间距为1050μm，激光功率为20w，扫速为500mm/s，激光标刻时间为30分钟，最终得到复合电极，如图9所示。
48.本实施例中电极材料为镍，对应甲醛氧化的产物为co2，在koh电解液中具体的化学方程式为：
49.阳极甲醛氧化反应：hcho 8oh-＝co2 o2 5h2o 8e-；
50.阴极析氢反应：8h2o 8e-＝4h2 8oh-；
51.总反应：hcho 3h2o＝4h2 co2 o2。
52.通过氢气体积计算得到甲醛的浓度：从透明气管的刻度可以读出生成的氢气的体积，假设产生的氢气量为x ml/min，在常温常压条件下，每分钟产生的氢气的物质的量＝x/(22.4*1000)(mol)，由总反应化学方程式可知化学计量比hcho：h2＝1：4，因此每分钟氧化降解的甲醛的物质的量＝x/(22.4*1000*4)(mol)，因此每分钟氧化降解的甲醛的质量＝(x*30.03*1000)/(22.4*1000*4)(mg)。假设进气风扇每分钟鼓入的空气量为y(m3)，则甲醛的浓度＝(x*30.03*1000)/(22.4*1000*4*y)(mg/m3)。
53.对该复合电极进行场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscope，简称sem)测试，如图3所示，可知其表面为颗粒状。对该复合电极进行x射线衍射(x-ray diffractometer，简称xrd)测试，其xrd图如图4所示，其为ni金属片的相。使用电化学工作站(chi 760e)三电极测试配置，以复合电极为工作电极，碳棒为对电极，hg/hgo为参比电极。1mol/l koh为电解液，测试其电催化析氢性能：在室温下进行线性扫描伏安法(linear sweep voltammetry，简称lsv)测试，扫描范围为0～-1.6v，扫描速率为5mv/s，如图5所示，当电流密度达到10ma/cm2时，过电位为305mv，表现了有效的电催化析氢性能。
54.以koh和甲醛的混合溶液作为电解液，浓度分别为1mol/l和0.1mol/l，测试其电催化甲醛氧化性能：在室温下进行线性扫描伏安法(linear sweep voltammetry，简称lsv)测试，扫描范围为0～2v，扫描速率为5mv/s，如图6所示，当电流密度达到10ma/cm2时，电位为1.298v vs.rhe，表现了有效的电催化甲醛氧化性能。
55.假设1m3含有0.5mg/m3甲醛的气体，将甲醛浓度0.5mg/m3降解到0.08mg/m3。
56.使用3寸的小风扇(排风量为80m3/h＝1.333m3/min)，1m3气体流通时间为45s；
57.甲醛降解浓度0.5-0.08＝0.42mg/m3；
58.甲醛去除量＝(0.5-0.08)/30.03＝0.014mmol
59.产生的h2量为0.42*22.4*1000*4*1/(30.03*1000)＝1.253ml，由于产生的氢气的量较少，无需使用气体流量计，通过透明气管内电解液下降的高度即产生的氢气体积，定性的判断甲醛的浓度，通过透明气管的刻度读出氢气的体积，根据氢气和甲醛氧化的产物之间的化学计量比换算得到甲醛的浓度。
60.将甲醛溶液加入koh电解液中，阳极电极和阴极电极的面积均为1cm2，通过分光光度计检测，溶液中的甲醛含量为10mg，将阳极电极和阴极电极之间施加2v的电压，开始进行甲醛降解，取降解过程中的溶液，多次用分光光度计检测溶液中的甲醛含量，由图7可知，降解11min左右，甲醛的含量趋近0.08mg。
61.假设1m3含有0.5mg/m3甲醛的气体，将甲醛浓度0.5mg/m3降解到0.08mg/m3。由表7可知，需要28s左右。
62.假设使用3寸的小风扇(排风量为80m3/h＝1.333m3/min)，1m3气体流通时间为45s；空气流通时间大于甲醛理论降解时间，所以实际降解过程中，甲醛的降解速度还要受气体在隔膜中扩散速度及在电解液中的扩散速度影响，以及进气风扇排风量的影响。但由表7可
以看出，甲醛浓度从0.5mg降解到0.08mg所需时间较短，由此可见本发明的方法降解甲醛速度快。
63.实施例2
64.本实施例中甲醛检测和降解器件结构同实施例1，区别在于用流量计进行氢气流量的检测，进气风扇为3寸排风扇，对甲醛进行持续的定量检测和降解。
65.由表8可以看出，当阳极电极和阴极电极之间施加的电压大于2v时，阳极电极开始发生产氧气的反应，产生的氧气会影响氢气的计量，使得计量得到的气流量大于实际产生的氢气的流量。所以在检测和降解甲醛同时进行时，阳极电极和阴极电极之间施加的电压应不大于2v。如果只降解甲醛时，阳极电极和阴极电极之间施加的电压可随意选择。
66.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。