纯氧在医疗、急救和化学合成中至关重要。缺氧会对呼吸系统、消化系统、神经系统等器官系统造成严重损害，甚至直接导致死亡。值得注意的是，严重的 2019 年冠状病毒病 (COVID-19) 大流行加剧了世界医用氧气的短缺。因此，迫切需要一种安全、经济、便携的供氧装置。在此，该工作制备了一种重量轻、能效高的吸气式电化学纯氧提取装置（ABEEPO）。通过对电解槽结构的改造，将元件双极板和端板更换为塑料膜，将元件集电体更换为高导电性石墨烯复合膜电极。由于采用了塑料膜和石墨烯复合膜电极，电解池的重量从1319.4克降低到1.6克，成功实现了电解池的柔性化。通过优化阳极催化剂、工作面积和工作电压，在 1.2 V 的电压下实现了单位质量的高流速（234 mL h^-1 g^-1）。该装置在 2 h 内表现出高稳定性。新的便携式制氧装置将有效用于缺氧治疗。
 
 
Figure 1. ABEEPO 制造过程和灵活性测试的示意图。 (A) 柔性石墨烯膜复合电极。 (B) 膜电极组件 (MEA)。 (C) 纯氧的空气呼吸电化学提取 (ABEEPO)。 (D-H) 不同弯曲角度的弯曲测试。 (I)扭转试验。
 
 
Figure 2. 相同工作面积（1×4 cm²）的空气电解和水电解制氧方法的性能。 (A) ABEEPO 电解槽通过空气电解生产纯氧的光学照片。 (B) 电解槽通过水电解产生纯氧的光学照片。 (C) 空气电解和水电解制氧方法的极化曲线。阳极 IrO₂ 负载 (4 mg cm^-2) 和阴极 Pt 负载 (0.5 mg cm^-2)。
 

 Figure 3. 扩大 ABEEPO 的大小。 (A) ABEEPO 的极化曲线，面积分别为 1 × 1 c m²、1 × 2 cm² 和 1 × 4 cm²。 (B) 1.2 V 时的相应电流密度。插图显示了具有不同阳极区域的 ABEEPO 的光学图像。
 
 
Figure 4. 相同工作面积（1 × 4 cm²）下阳极催化剂对 ABEEPO 性能的影响。 (A) IrO₂、RuO₂、PtRu 黑和 Pt/C 的极化曲线。 (B) 1.2 V 时的相应电流密度。(C) IrO₂、RuO₂、PtRu 黑和 Pt/C 的 Tafel 图。 (D) ABEEPO 的光学照片，使用 IrO₂ 作为阳极催化剂，没有施加电压，电压为 1.2 V。阳极 IrO₂、RuO₂、PtRu 黑和 Pt/C 负载量 (4 mg cm^-2) 和阴极 Pt 负载量 ( 0.5 mg cm⁻²)。
 
 
Figure 5. ABEEPO 的稳定性测试，使用 IrO₂、RuO₂、PtRu 黑和 Pt/C 作为阳极催化剂，工作面积相同（1 × 4 cm²）。 (A) 1 V 电压下 2 小时的计时电流曲线。 (B) 2 小时稳定性测试之前（左柱）和之后（右柱）的电流密度。
 
 
Figure 6. 在相同工作区域 (1 × 4 cm²) 下，施加电压对 ABEEPO 性能的影响。 (a) ABEEPO 的计时电流曲线在 0.9、1.0、1.1 和 1.2 V 下运行。(b) 相应的制氧速率和法拉第效率。阳极 IrO₂ 负载 (4 mg cm^-2) 和阴极 Pt 负载 (0.5 mg cm^-2)。
 
 
Figure 7. ABEEPO 与其他商业制氧设备的性能比较。
 
 
Figure 8. ABEEPO的应用演示。 (a) 供氧系统示意图。 (b) 供氧系统的光学照片。 (c) 为 ABEEPO 患者供氧。
  
       相关研究工作由中科院苏州纳米所Xiaochun Zhou课题组于2022年在线发表于《 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。

转自《石墨烯研究》公众号