杨庆浩姚婉婷刘佳琪郭晨萌赵秋丽
西安科技大学材料科学与工程学院
摘要
通过装配电化学控氧单元，模拟果蔬盒，可在22.5A（50mA/cm2）的恒电流下，实现80.1mL/min的氧气转换率，在23min内将30L果蔬盒内的氧气浓度降低并控制在15%以下，符合商业化降氧保鲜的技术要求。经某大型家电企业产业化装配测试，控氧单元可实现恒流80mA/cm2下2000h以上的长效运行。
关键词
气体扩散电极；气调保鲜装置；电化学；氧还原反应
DOI:10.19784/
0引言
随着现代社会的快速发展，居民越来越追求高质量生活。对食品质量的要求也在逐步提高，新鲜、安全以及环保等因素极大程度地影响了消费者的购买意愿。因此果蔬的长效保鲜成为重要课题，保鲜技术的相关研究也应运而生。当前市面上常见的保鲜设备主要有食品保鲜膜[1]、真空冷冻干燥仪器、气调保鲜机及冷链体系[2]等。冰箱是日常生活中必不可少的储藏保鲜工具，如何在智能电冰箱中进一步延长食品新鲜度就成为产品开发的重中之重。目前市场中的家用冷藏冰箱主要对环境温湿度进行控制，以减弱呼吸作用、水分蒸发及各种生理代谢活动，达到贮藏保鲜目的。低温贮藏保鲜[3]一定程度上延缓了果实的代谢消耗，抑制了酶菌类的生长繁殖[4]，能较大程度地保持果蔬的新鲜度、营养价值以及原有风味，但过低的温度会造成冷害现象发生，导致食品变质。
气调保鲜技术[5]利用控制气体成分比例的方式来达到储藏保鲜目的，即在一个相对封闭空间内，通过调节环境中各项气体成分的含量（正常大气约78%N2、21%O2和1%CO2），抑制微生物繁殖导致的食品腐败，从而延长食品赏味期。这是目前国际上认为对于肉类及果蔬保鲜最有效的技术，已被广泛应用于食材保鲜和延长贮藏寿命等方面。基于电化学原理的气体扩散电极（Gasdiffusionelectrode,GDE）[6]控氧装置是最具发展潜力的气调保鲜技术之一。该电化学降氧技术主要利用GDE作为阴极，空气中的O2沿电极表面扩散进入电极内部并在催化剂的作用下发生氧还原反应（OxygenReductionReaction,ORR）[7]被消耗，从而实现降氧保鲜功能。在电解降氧过程中，气体扩散电极不仅传递了氧离子，而且为ORR提供了场所。该电化学过程无噪声，且主要受到电流效率控制，可实现安静可控的运行。目前，各大品牌的高端智能冰箱已开始逐渐采用电解降氧技术对食品进行保鲜，然而仍存在以下两个技术难题亟待解决：（1）冰箱中较低的环境温度会降低动力学过程与催化剂表面的吸附，影响控氧单元高效工作；（2）控氧单元长期稳定性不足，存在性能劣化的现象。本论文通过制备合适的GDE，设计并构筑相应的控氧单元，室温下实验表明，该方案不仅有效提升了空氧单元降氧效率，更是实现了恒电流80mA/cm2下2000h以上的稳定运行。低温会导致电化学系统出现一定极化，除氧性能下降，但在不太苛刻的低温条件下，该装置仍然可以有效运行。
1实验
1.1实验原料与设备
活性炭CL160，工业级，福建省鑫森炭业股份有限公司；乙炔黑，工业级，广东翁江试剂有限公司；硝酸银，分析纯，广东光华科技股份有限公司；PTFED210C，60%溶液，日本大金工业株式会社；无水乙醇，分析纯，天津市富宇精细化工有限公司；氯化钾，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；膜溶液，分析纯，上海河森电气有限公司；甲醇，分析纯，天津市富于精细化工有限公司；镍网N6，自制，厚0.3mm。
双辊滚压机，FKR-200型，北京浩博盛世经贸有限公司；油压机，MYS型，郑州磨料磨具磨削研究所有限公司；箱式电阻炉，KSL-1200X型，合肥科晶材料技术有限公司；电化学工作站，CS350，武汉科思特仪器有限公司；恒压恒流电源，DP3020型，深圳市迈斯泰克电子有限公司。
1.2防水透气层与催化层的制备
称取一定质量活性炭和乙炔黑粉末，加入无水乙醇充分搅拌后超声分散5min，随后加入聚四氟乙烯乳液并缓慢搅拌直至变为糊状物，然后超声分散10min，之后置于80℃的水浴中并搅拌，使无水乙醇持续挥发直至凝聚成团，将团聚物在双辊滚压机上反复碾压使PTFE纤维化，制成厚约0.8～0.9mm的防水透气层，其表面目测无裂纹、起皮、褶皱等现象即可。
将一定质量的催化剂、乙炔黑、400目的活性炭及60%PTFE乳液加入到适量的无水乙醇并搅拌，超声分散5min，随后置于80℃水浴中并搅拌，直至浆体凝聚成团。取出团状物后，在双辊滚压机上折叠碾压并重复操作多次，使PTFE纤维化，制得表面致密的催化层。
1.3电化学控氧单元的构建
GDE的运行过程是一个电解反应过程，因此借由图1a)的有机玻璃框架搭建电解池，其中的框架大小均为5cm×5cm，厚度为1cm。本论文以镍板为阳极，湿法工艺制备的GDE为阴极，中间填充电解液，形成图1b)的结构，并利用螺丝及螺栓进行连接固定成为核心电化学降氧模块。需要注意的是，要保证阴阳极膜层之间有足够间距，以防止短路。电极间距适当增加，净空间放电的电极电场在外加电源的作用下也会有一定程度的增大，从而使得电解反应程度增加，提升降氧效率。此外，该模块使用内阻较小的直流电源供电，电源正极接镍板，负极接GDE的镍网。为了模拟智能冰箱中果蔬盒的储藏空间，搭建了35cm×30cm×30cm尺寸的密闭箱盒装置，如图1c)所示。密闭箱盒材质为透明亚克力材料，以便观察内部情况并模拟果蔬盒内的氧气浓度及环境温湿度。将降氧模块和密闭箱盒连接，并在连接处留有气孔，方便箱盒内的氧气被反应排出。
图1电化学控氧单元
1.4测试与表征
线性循环伏安法：研究氧还原过程的一种常用测试手段，以此分析催化剂对氧还原反应的催化活性。设定工作电压测试范围为﹣0.6～0.1V（/AgCl），以25mV/s的扫描速率对待测电极进行循环伏安测试。
交流阻抗测试（EIS）：一种重要的电化学测试方法，可对界面间的性质做全面分析。本课题研究中的EIS频率范围为10kHz～0.01Hz，电位振幅为5mV。
气体扩散电极性能测试：将万用表固定在气体扩散电极及负极电源线处，用于测试气体扩散电极的膜上电压（电极电势），主要的测试电流密度分别为10mA/cm2、100mA/cm2、150mA/cm2、200mA/cm2。
控氧保鲜模块测试：将气体扩散电极装配在电解池中进行恒电流测试。本实验的测试溶液为5MKOH，恒定电流密度固定为80mA/cm2，在室温条件下测试。
2结果与分析
2.1气体扩散电极控氧单元运行效果
图2a)是不同降氧模块在不同电解电流下的排氧量和电解效率（实际排氧量占理论排氧量的百分比），表明电解实验中缺乏2e–途径必须的HO2–，因此ORR是按照4e–途径进行的。2e–途径和4e–途径的主要区别在于有无反应副产物H2O2[8]。在二电子反应中，H2O2可能被氧化而重新生成氧，或吸附在催化剂表面的H2O2脱附溶解于溶液中变成双氧水。四电子反应（直接还原反应）在电化学控氧和新能源电池中起着关键作用，二电子反应则主要用于H2O2的制备研究。电解效率随着电流的下降逐步上升，这与电流较低时电解反应比较稳定有关。三种模块均表现出电解实际排氧量仅与降氧单元中的电解电流相关，尤其是模块数字”表示），搭建控氧单元，保持恒电流密度为80mA/cm2进行长效寿命测试。图3a)表明GDE2的寿命测试，结果如图3b)所示。在运行132h后，GDE1和GDE3及GDE3在长期运行530h以后出现渗漏，性能迅速下降，但运行过程中的膜上温度一直维持在20℃～30℃内，无明显的发热现象。渗漏的原因推测为模块中的GDE为实验室用小型设备制造，成型压力较小使膜层分散不均且各层间粘合不匀所致。因此，进一步制备的GDE4与样品Ⅰ（市售GDE电极片）分别装配成完整的降氧模块，用5MKOH溶液作为电解质进行测试。图4表明样品Ⅰ在低电流密度下的电压关系更趋近于线性。对比电解数据可知，在100及200mA/cm2电流下，样品Ⅰ阴极复合膜的电压值分别是GDE4电化学性能优于样品Ⅰ。这可能是由于样品Ⅰ的催化剂为效率相对较低的碳材料，会引起电解的高运行电压与低还原电流。由前述降氧效果测试可知，电解过程中实际氧气转换率仅与电流正相关。由此推断，样品Ⅰ作用的模块降氧效果不如GDE1在电流8.5A下的实际排氧量可达29.36mL/min。运行过程中，控氧单元内温湿度的增幅在可控范围内，完全符合家电气调保鲜的要求。制备的GDE（由Ag/C、活性炭及PTFE制成催化层）模块使用寿命较长，不易发生渗漏，特别是GDE#4可实现在80mA/cm2的恒流下800h以上的长效运行。
与市售产品相比，制备的GDE电化学降氧性能更好。由其组装的电化学控氧单元在22.5A（50mA/cm2）的恒电流下，可实现80.1mL/min的氧气转换率，能在23min内将30L果蔬盒内的氧气浓度控制在15%以下，符合商用控氧保鲜技术的要求。经某大型家电企业产业化装配测试，该控氧单元可实现恒流80mA/cm2下2000h以上的运行寿命。
参考文献
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（责任编辑：张蕊）
杨庆浩，博士学位。
研究方向：电化学与电极材料。
地址：西安市雁塔路58号，西安科技大学材料学院。
E-mail：yangxjtu@。
基金项目：榆林市科技计划项目（CXY-2022-160）。
文章引用(GB/T7714-2015格式引文):
[1]杨庆浩,姚婉婷,刘佳琪,等.气体扩散电极电化学控氧性能研究[J].家电科技,2023(03):79-83.DOI:10.19784/
