一種透氣電極及其製備方法與流程
2023-06-16 23:37:11
本發明涉及電極領域，具體涉及一種透氣電極及其製備方法。
背景技術：
隨著地球上水資源的不斷被汙染和水資源的不斷缺乏，消毒水處理顯得越來越重要。現制次氯酸鈉消毒與其他消毒技術相比，優勢明顯。但目前市場上的次氯酸鈉發生器存在電耗和鹽耗太高、電極使用壽命短等問題，嚴重製約其大規模應用，影響次氯酸鈉發生器性能並制約其應用的關鍵之處在於電極材料。
專利[一種鈦陽極的製備方法]公開了一種鈦陽極的製備方法，其先在鈦基體表面沉積一層惰性薄膜，然後再塗敷活性氧化物塗層。該方法雖然提高了鈦基體與塗層的粘結力，但惰性薄膜導電性差、抗氧滲透能力差，導致電極的電流效率降低、耐腐蝕性差，使得次氯酸鈉發生器的電耗和鹽耗增加，電極使用壽命短，不利於節能降耗。
專利[催化劑塗層及其使用和製備方法]公開了一種採用電沉積法製備氯酸鈉的電極塗層，雖然電沉積法製備工藝相對簡單，但該專利中採用鈦板或鈦管作為承載金屬氧化物的基體，顯得比表面積小，導致電極電解效率低，次氯酸鈉發生器運行成本高。
技術實現要素：
為了克服現有技術的不足，本發明的目的是為了提供一種次氯酸鈉的發生效率更高的透氣電極的製備方法。
本發明的目的採用以下技術方案實現：
一種透氣電極的製備方法，包括以下步驟：
1)制多孔鈦基體：製備孔隙度為30-45％、孔徑5-20μm、厚度為0.5-2mm的多孔鈦板，作為鈦基體；
2)鈦基體的表面處理；
3)前驅體沉積：將鈦基體置於含氯化鈦、氯化釕、氯化銥的ph為1-5的乙醇水溶液中沉積；
4)電解：以鉑電極為工作電極，以甘汞電極為參比電極，以步驟3)處理後的鈦基體為陰極，進行電解，其中，工作電極與陰極間距為15-20mm，電沉積參數為：沉積浴溫度為1-8℃，陰極電流密度為15-30ma/cm2，電沉積時間為20-60min；
5)燒結：將步驟4)處理後的鈦基體置於高溫爐，升溫速率為5℃/min，升溫至450-470℃進行燒結，得到透氣電極。
作為優選，步驟1)中，鈦基體的孔隙度為43％、孔徑為17μm、厚度為1mm。
作為優選，步驟2)中，表面處理的具體操作如下：將鈦基體置於5-20wt％naoh溶液中震動，除去表面油汙，再浸泡於15-25wt％草酸溶液中煮沸1-2h，除去表面氧化物。
作為優選，所述naoh溶液的濃度為10wt％，草酸溶液的濃度為20wt％。
作為優選，步驟3)中，乙醇與水的體積比為5-15:1；採用hcl調節ph。
作為優選，步驟3)中，氯化銥的濃度為7-13mm/l，鈦釕銥的摩爾比為(5-7)：(1.4-1.8)：1。
作為優選，步驟4)中，工作電極與陰極間距為17mm，電沉積參數為：沉積浴溫度為4℃，陰極電流密度為29ma/cm2，電沉積時間為46min。
作為優選，步驟5)中，升溫速率為5℃/min，升溫至460℃燒結70min。
本發明的另一目的在於提供上述的方法製備的透氣電極。
相比現有技術，本發明的有益效果在於：本發明採用電化學沉積法在透氣多孔鈦基體沉積一層ruo2-iro2-tio2金屬氧化物，該製備方法相對於傳統的反覆塗敷燒結的製備方法具有工藝簡單，而且氧化物塗層更加緻密，電極壽命更高。本發明製備的透氣電極的有效比表面積提高了數十倍，從而使電從而使得電解效率顯著提高，naclo產率遠高於傳統的電極，且鹽耗和電耗低，節能減排。
具體實施方式
下面，結合具體實施方式，對本發明做進一步描述：
實施例1
一種透氣電極的製備方法，包括以下步驟：
1)制多孔鈦基體：採用真空燒結法製備孔隙度為35％、孔徑7μm、厚度為1mm的多孔鈦板，作為鈦基體；
2)鈦基體的表面處理：將鈦基體置於10wt％的naoh溶液中震動30min，衝洗乾燥後，置於20wt％的草酸溶液中煮沸2h取出後衝洗乾淨待用；
3)前驅體沉積：將步驟2)處理後的鈦基體置於含氯化鈦、氯化釕、氯化銥的ph為3的乙醇水溶液中沉積；其中乙醇水溶液中，乙醇與水的體積比為25:3；氯化鈦的濃度為54mm/l、氯化釕的濃度為14mm/l、氯化銥的濃度為8mm/l；
4)電解：以鉑電極為工作電極，以甘汞電極為參比電極，以步驟3)處理後的鈦基體為陰極，進行電解，其中，工作電極與陰極間距為17mm，電沉積參數為：沉積浴溫度為2℃，陰極電流密度為17ma/cm2，電沉積時間為23min；
5)燒結：將步驟4)處理後的鈦基體置於高溫爐，升溫速率為5℃/min，升溫至460℃燒結70min，得到透氣電極。
實施例2
一種透氣電極的製備方法，包括以下步驟：
1)制多孔鈦基體：採用真空燒結法製備孔隙度為38％、孔徑11μm、厚度為1mm的多孔鈦板，作為鈦基體；
2)鈦基體的表面處理：將鈦基體置於10wt％的naoh溶液中震動30min，衝洗乾燥後，置於20wt％的草酸溶液中煮沸2h取出後衝洗乾淨待用；
3)前驅體沉積：將步驟2)處理後的鈦基體置於含氯化鈦、氯化釕、氯化銥的ph為2的乙醇水溶液中沉積；其中乙醇水溶液中，乙醇與水的體積比為10:1；氯化鈦的濃度為57mm/l、氯化釕的濃度為16mm/l、氯化銥的濃度為9mm/l；
其中乙醇水溶液的配置方法如下：取110ml無水乙醇和11ml水進行混合，加入計量的氯化鈦、氯化釕、氯化銥後採用hcl調節ph至2；
4)電解：以鉑電極為工作電極，以甘汞電極為參比電極，以步驟3)處理後的鈦基體為陰極，進行電解，其中，工作電極與陰極間距為17mm，電沉積參數為：沉積浴溫度為3℃，陰極電流密度為22ma/cm2，電沉積時間為31min；
5)燒結：將步驟4)處理後的鈦基體置於高溫爐，升溫速率為5℃/min，升溫至460℃燒結70min，得到透氣電極。
實施例3
一種透氣電極的製備方法，包括以下步驟：
1)制多孔鈦基體：採用真空燒結法製備孔隙度為40％、孔徑13μm、厚度為1mm的多孔鈦板，作為鈦基體；
2)鈦基體的表面處理：將鈦基體置於10wt％的naoh溶液中震動30min，衝洗乾燥後，置於20wt％的草酸溶液中煮沸2h，衝洗乾淨，待用；
3)前驅體沉積：將步驟2)處理後的鈦基體置於含氯化鈦、氯化釕、氯化銥的ph為3的乙醇水溶液中沉積；其中乙醇水溶液中，乙醇與水的體積比為10:1；氯化鈦的濃度為64mm/l、氯化釕的濃度為18mm/l、氯化銥的濃度為11mm/l；
其中乙醇水溶液的配置方法如下：取110ml無水乙醇和11ml水進行混合，加入計量的氯化鈦、氯化釕、氯化銥後採用hcl調節ph至3；
4)電解：以鉑電極為工作電極，以甘汞電極為參比電極，以步驟3)處理後的鈦基體為陰極，進行電解，其中，工作電極與陰極間距為17mm，電沉積參數為：沉積浴溫度為4℃，陰極電流密度為26ma/cm2，電沉積時間為39min；
5)燒結：將步驟4)處理後的鈦基體置於高溫爐，升溫速率為5℃/min，升溫至460℃燒結70min，得到透氣電極。
實施例4
一種透氣電極的製備方法，包括以下步驟：
1)制多孔鈦基體：採用真空燒結法製備孔隙度為40％、孔徑15μm、厚度為1mm的多孔鈦板，作為鈦基體；
2)鈦基體的表面處理：將鈦基體置於10wt％的naoh溶液中震動30min，衝洗乾燥後，置於20wt％的草酸溶液中煮沸2h，衝洗乾淨待用；
3)前驅體沉積：將步驟2)處理後的鈦基體置於含氯化鈦、氯化釕、氯化銥的ph為3的乙醇水溶液中沉積；其中乙醇水溶液中，乙醇與水的體積比為10:1；氯化鈦的濃度為64mm/l、氯化釕的濃度為18mm/l、氯化銥的濃度為11mm/l；
其中乙醇水溶液的配置方法如下：取110ml無水乙醇和11ml水進行混合，加入計量的氯化鈦、氯化釕、氯化銥後採用hcl調節ph至3；
4)電解：以鉑電極為工作電極，以甘汞電極為參比電極，以步驟3)處理後的鈦基體為陰極，進行電解，其中，工作電極與陰極間距為17mm，電沉積參數為：沉積浴溫度為4℃，陰極電流密度為26ma/cm2，電沉積時間為39min；
5)燒結：將步驟4)處理後的鈦基體置於高溫爐，升溫速率為5℃/min，升溫至460℃燒結70min，得到透氣電極。
實施例5
一種透氣電極的製備方法，包括以下步驟：
1)制多孔鈦基體：採用真空燒結法製備孔隙度為43％、孔徑17μm、厚度為1mm的多孔鈦板，作為鈦基體；
2)鈦基體的表面處理：將鈦基體置於10wt％的naoh溶液中震動30min，衝洗乾燥後，置於20wt％的草酸溶液中煮沸1-2h，衝洗乾燥；
3)前驅體沉積：將步驟2)處理後的鈦基體置於含氯化鈦、氯化釕、氯化銥的ph為4的乙醇水溶液中沉積；其中乙醇水溶液中，乙醇與水的體積比為10:1；氯化鈦的濃度為66mm/l、氯化釕的濃度為19mm/l、氯化銥的濃度為13mm/l；
其中乙醇水溶液的配置方法如下：取110ml無水乙醇和11ml水進行混合，加入計量的氯化鈦、氯化釕、氯化銥後採用hcl調節ph至4；
4)電解：以鉑電極為工作電極，以甘汞電極為參比電極，以步驟3)處理後的鈦基體為陰極，進行電解，其中，工作電極與陰極間距為17mm，電沉積參數為：沉積浴溫度為4℃，陰極電流密度為29ma/cm2，電沉積時間為46min；
5)燒結：將步驟4)處理後的鈦基體置於高溫爐，升溫速率為5℃/min，升溫至460℃燒結70min，得到透氣電極。
對比例
以鈦板作為鈦基體，按照金屬離子摩爾比ru：ir：ti＝20:20:60將三氯化釕、氯銥酸、三氯化鈦溶於正丁醇中，然後塗敷在鈦基體上進行熱解。烘乾後於450℃燒結10min，重複15次，最後一次燒結60min。
檢測試驗
1.電極參數測試
對實施例1-5和對比例得到的電極進行電極塗層厚度、析氯電位、析氧電位和強化壽命測試，其結果如表1所示。
表1電極參數測試結果
從表1中，由實施例1-5與對比例的比較可知，採用本發明提供的方法製備的透氣電極，其析氯電位遠低於傳統方法製備的電極，且析氧電位高，強化壽命長。孔隙率一定時，孔徑越小，比表面積越大，但孔徑太小會限制塗層厚度和電解液的流動。因此，存在一個最佳的孔徑大小和塗層厚度使得電極綜合性能最佳。當孔徑15μm，沉積浴溫度為4℃，陰極電流密度為26ma/cm2，電沉積時間為39min時製備的透氣電極性能最佳。
2.電極電解評估
將實施例1-5以及對比例得到的電極在次氯酸鈉試驗電解槽系統中作為陽極被評估。在試驗電解槽系統中，儲鹽水室裝有鹽水電解液，電解液藉助蠕動泵不斷進入電解槽，其流速是用流量計測量的並且是通過調節電解槽的流量閥實施控制的。電解槽有電極，陽極面積是100cm2，陰極是用純鈦製成，工作電極與陰極間距是3mm，來自直流穩流電源的外加電壓5v，電流控制為15a。
試驗系統是在下述條件下連續操作的：
溫度：25℃
電流密度：1.5ka/m2
工作電極與陰極間距：3mm
鹽水濃度：3％
鹽水流速：6l/h
分別用碘量滴定法測量naclo的濃度，記錄電解液溫度和電解槽電壓；分別對實施例1-5以及對比例得到的電極的電流效率、電耗和鹽耗進行計算；其結果如表2所示。
從表2中，由實施例1-5與對比例的比較可知，採用本發明提供的方法製備的透氣電極，naclo產率遠高於傳統的電極，且鹽耗和電耗低。孔隙率一定時，孔徑越小，比表面積越大，但孔徑太小會限制塗層厚度和電解液的流動。因此，存在一個最佳的孔徑大小和塗層厚度使得電極綜合性能最佳。實施例4製備的透氣電極在電解過程中電解效率最高、電耗和鹽耗最低。
對本領域的技術人員來說，可根據以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種相應的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應該屬於本發明權利要求的保護範圍之內。