純氧在醫(yī)療、急救和化學合成中至關重要。缺氧會對呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、神經系統(tǒng)等器官系統(tǒng)造成嚴重損害，甚至直接導致死亡。值得注意的是，嚴重的 2019 年冠狀病毒病 (COVID-19) 大流行加劇了世界醫(yī)用氧氣的短缺。因此，迫切需要一種安全、經濟、便攜的供氧裝置。在此，該工作制備了一種重量輕、能效高的吸氣式電化學純氧提取裝置（ABEEPO）。通過對電解槽結構的改造，將元件雙極板和端板更換為塑料膜，將元件集電體更換為高導電性石墨烯復合膜電極。由于采用了塑料膜和石墨烯復合膜電極，電解池的重量從1319.4克降低到1.6克，成功實現(xiàn)了電解池的柔性化。通過優(yōu)化陽極催化劑、工作面積和工作電壓，在 1.2 V 的電壓下實現(xiàn)了單位質量的高流速（234 mL h
-1 g
-1）。該裝置在 2 h 內表現(xiàn)出高穩(wěn)定性。新的便攜式制氧裝置將有效用于缺氧治療。
Figure 1. ABEEPO 制造過程和靈活性測試的示意圖。 (A) 柔性石墨烯膜復合電極。 (B) 膜電極組件 (MEA)。 (C) 純氧的空氣呼吸電化學提取 (ABEEPO)。 (D-H) 不同彎曲角度的彎曲測試。 (I)扭轉試驗。
Figure 2. 相同工作面積（1×4 cm
2）的空氣電解和水電解制氧方法的性能。 (A) ABEEPO 電解槽通過空氣電解生產純氧的光學照片。 (B) 電解槽通過水電解產生純氧的光學照片。 (C) 空氣電解和水電解制氧方法的極化曲線。陽極 IrO
2 負載 (4 mg cm
-2) 和陰極 Pt 負載 (0.5 mg cm
-2)。
Figure 3. 擴大 ABEEPO 的大小。 (A) ABEEPO 的極化曲線，面積分別為 1 × 1 c m
2、1 × 2 cm
2 和 1 × 4 cm
2。 (B) 1.2 V 時的相應電流密度。插圖顯示了具有不同陽極區(qū)域的 ABEEPO 的光學圖像。
Figure 4. 相同工作面積（1 × 4 cm
2）下陽極催化劑對 ABEEPO 性能的影響。 (A) IrO
2、RuO
2、PtRu 黑和 Pt/C 的極化曲線。 (B) 1.2 V 時的相應電流密度。(C) IrO
2、RuO
2、PtRu 黑和 Pt/C 的 Tafel 圖。 (D) ABEEPO 的光學照片，使用 IrO
2 作為陽極催化劑，沒有施加電壓，電壓為 1.2 V。陽極 IrO
2、RuO
2、PtRu 黑和 Pt/C 負載量 (4 mg cm
-2) 和陰極 Pt 負載量 ( 0.5 mg cm
−2)。
Figure 5. ABEEPO 的穩(wěn)定性測試，使用 IrO
2、RuO
2、PtRu 黑和 Pt/C 作為陽極催化劑，工作面積相同（1 × 4 cm
2）。 (A) 1 V 電壓下 2 小時的計時電流曲線。 (B) 2 小時穩(wěn)定性測試之前（左柱）和之后（右柱）的電流密度。
Figure 6. 在相同工作區(qū)域 (1 × 4 cm
2) 下，施加電壓對 ABEEPO 性能的影響。 (a) ABEEPO 的計時電流曲線在 0.9、1.0、1.1 和 1.2 V 下運行。(b) 相應的制氧速率和法拉第效率。陽極 IrO
2 負載 (4 mg cm
-2) 和陰極 Pt 負載 (0.5 mg cm
-2)。
Figure 7. ABEEPO 與其他商業(yè)制氧設備的性能比較。
Figure 8. ABEEPO的應用演示。 (a) 供氧系統(tǒng)示意圖。 (b) 供氧系統(tǒng)的光學照片。 (c) 為 ABEEPO 患者供氧。
相關研究工作由中科院蘇州納米所Xiaochun Zhou課題組于2022年在線發(fā)表于《 ACS Appl. Mater. Interfaces 》期刊上，原文： Ultralight, Safe, Economical, and Portable Oxygen Generators with Low Energy Consumption Prepared by Air-Breathing Electrochemical Extraction。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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