一種用於水溶液電解體系的金屬陽極的製作方法
2024-02-16 00:25:15
專利名稱：一種用於水溶液電解體系的金屬陽極的製作方法
技術領域：
本發明屬於水溶液電解領域，涉及一種析氧電極，特別是多孔金屬電極，利用其高比表面積來降低析氧電位。
背景技術：
電解水製取氫氣和氧氣的理論電解電壓是1.23V，但實際上，由於氧和氫生成反應過程中的過電位、電解液電阻及其它電阻因素，實際需要的電壓比理論值要高，在 1. 65-2. 4V之間。過電位的存在增加了電解水能耗，根據法拉第定律，製取Im3(標準)氫氣，理論電耗為2. 87kWh，而實際電量為理論電耗的2倍。因此，應設法降低電極過電位，以減少電解水能耗。在鹼性水溶液中的電解過程，較高的析氧過電位是造成高能耗的主要原因。目前降低析氧過電位的方法主要有以下三種(1)提高反應液溫度；( 增加電極面積；(3)在電極表面塗覆高活性催化劑。提高反應液溫度對於水溶液體系而言，水的沸點是極限，繼續加溫加壓將進一步增加成本。高活性催化劑的研製工作一直是研究熱點，但催化劑在電極表面的負載並未有效解決，催化劑脫落現象嚴重。雖然增加電極面積可以降低電流密度從而降低析氧過電位，但是單純增加電極尺寸，會使電解槽投資成本大大增加。此外，水溶液電解行業的新工藝對析氧電極提出了新的要求。中國發明專利「一種鹼溶碳分法生產氧化鋁的工藝(申請號200710178670. 2)，，中提出了既能提高氧化鋁生產效率又能實現鹼液的循環利用的新工藝。該工藝中電解碳酸鈉溶液製備氫氧化鈉溶液和碳酸氫鈉溶液是整個工藝流程的關鍵所在。該電解工序的陽極析氧，陰極析氫，工作時的槽電壓高達2. 5-2. 9V，生產所需電耗比較高。因此，在控制設備投資成本的條件下有效降低電解工序槽電壓，對該工藝實現工業化具有重要意義。
發明內容
根據塔菲爾方程η = a+blgi，其中a和b都為正數。當電極活性物質固定時，a、 b數值一定。若電流密度i增大，則過電位η相應增大。另一方面，電流密度i = I/S，I為電流強度，S為電極面積。由此可知，當流經電極的電流強度I 一定時，過電位η和IgS成反比，即增大電極面積S可以降低過電位II。也就是說，在水溶液電解體系中，在電極材質和催化劑相同的條件下，增大電極面積可以降低析氧電極的過電位Π，但是，單純增加電極面積會大大增加設備投資成本。針對上述現有技術中的不足，本發明提出一種比表面積大的多孔金屬板作為陽極基體、負載高活性催化劑的金屬陽極，以降低水溶液電解體系的析氧過電位。本發明提出的用於水溶液電解體系的金屬陽極，其特徵在於以多孔金屬材料為基體，表面負載高活性催化劑。本發明提出的多孔金屬電極，由球狀或不規則形狀的金屬或合金粉末經壓製成片狀，再經燒結製成。材料內部具有由均勻分布的連通宏觀孔隙和孔壁上微米孔隙組成的三維孔隙結構，體積孔隙度為30% 60%，開孔隙率為60 99. 7%，平均孔徑1 100微米， 楊氏模量為0. 5 37GPa，抗壓強度為0. 04 2. 2GPa。本發明提出的多孔金屬電極，其材質可以是鈦、不鏽鋼、鎳、銅等各種金屬或合金。 從耐蝕陽極的角度考慮，以鈦為宜。本發明提出的多孔金屬電極，其表面塗覆催化劑層。催化劑是可以降低析氧過電位的物質，例如尖晶石類化合物及其它金屬氧化物。塗覆的方法可以是將前驅體塗覆在多孔金屬片表面、再高溫燒結，或將製備好的催化劑採用電泳沉積的方式，或採用電化學方法直接在多孔金屬片表面電合成。本發明提出的多孔金屬電極，由於其內部具有多孔結構，可以有效增加電極的電化學活性表面積，並且有利於負載催化劑，從而有效降低陽極的析氧過電位，實現節能降耗目的。
具體實施例方式下面結合比較例和實施例對本發明作進一步說明。比較例1將網狀鈦電極基體經鹼洗除油水洗後，在草酸溶液(10% )中蝕刻池，而後放置在蒸餾水中備用。將氯銥酸(H2IrCl6 ·6Η20，ΑΙ ，北京有色金屬研究院)、正丁醇和濃鹽酸按 1 10 1的體積比混合均勻，用軟呢絨刷筆均勻塗覆於上述鈦網基體上，於120°C下烘乾 IOmin,然後在預定的450°C溫度下焙燒15min，重複塗覆-乾燥-焙燒過程4次，即製得鈦基塗銥網狀電極。用離子膜電解槽檢測電極性能，將此鈦塗銥電極為陽極，鎳塗釕電極為陰極，陽離子膜為隔離膜，陽極區的電解液為1. 5mol/L的Na2CO3溶液，陰極區的電解液為6. 5mol/L的 NaOH溶液，陰陽極間距為4mm左右，電解槽電極有效面積為120cm2，在75°C的條件下電解， 當電流密度為1000A/m2時平均槽電壓為2. 60V左右。實施例1將粉末冶金所得鈦板經鹼洗除油水洗後，在草酸溶液(10% )中蝕刻池，而後放置在蒸餾水中備用。將氯銥酸(H2IrCl6 ·6Η20，ΑΙ ，北京有色金屬研究院)、正丁醇和濃鹽酸按 1 10 1的體積比混合均勻，用軟呢絨刷筆均勻塗覆於上述粉末冶金鈦基體上，於120°C 下烘乾lOmin，然後在預定的450°C溫度下焙燒15min，重複塗覆-乾燥-焙燒過程4次，即製得粉末冶金鈦基塗銥電極。用離子膜電解槽檢測電極性能，將此粉末冶金鈦基塗銥電極為陽極，鎳塗釕電極為陰極，陽離子膜為隔離膜，陽極區的電解液為1. 5mol/L的Na2CO3溶液，陰極區的電解液為 6. 5mol/L的NaOH溶液，陰陽極間距為4mm左右，電解槽電極有效面積為120cm2，在75°C的條件下電解，當電流密度為1000A/m2時平均槽電壓為2. 52V左右。實施例2將粉末冶金鈦板經鹼洗除油水洗後，在草酸溶液(10% )中蝕刻池，而後放置在蒸餾水中備用。將水合三氯化釕(RuCl3 · nH20，GR，上海國藥集團化學試劑有限公司)、正丁醇和濃鹽酸按1 10 1的體積比混合均勻，用軟呢絨刷筆均勻塗覆於上述Ti粉末冶金材料基體上，於120°C下烘乾lOmin，然後在預定的450°C溫度下焙燒15min，重複塗覆-乾燥-焙燒過程4次，即製得粉末冶金鈦基塗釕電極。 用離子膜電解槽檢測電極性能，將此粉末冶金鈦基塗釕電極為陽極，鎳塗釕電極為陰極，陽離子膜為隔離膜，陽極區的電解液為1. 5mol/L的Na2CO3溶液，陰極區的電解液為 6. 5mol/L的NaOH溶液，陰陽極間距為4mm左右，電解槽電極有效面積為120cm2，在75°C的條件下電解，當電流密度為1000A/m2時平均槽電壓為2. 56V左右。
權利要求
1.一種金屬陽極，其特徵在於以多孔金屬材料為基體，表面負載催化劑。
2.如權利要求1所述用於金屬陽極，其中多孔金屬材料由粉末冶金方法製得，體積孔隙度為30% 60%，開孔隙率為60 99%，平均孔徑1 100微米，楊氏模量為0. 5 37GPa，抗壓強度為0. 04 2. 2GPa。
3.如權利要求1所述用於金屬陽極，用於水溶液電解體系作為陽極，特別是在膜電解碳酸鈉溶液體系作為陽極使用。
全文摘要
本發明提供一種用於水溶液電解體系的金屬陽極，其特徵在於以多孔金屬材料為基體、表面負載高活性催化劑。多孔金屬材料比表面積大，有利於增加電極活性面積減少電流密度，並且有利於催化劑的負載。多孔金屬材料可以採用粉末冶金法製得。本發明提供的金屬陽極可用水溶液電解體系，特別是膜電解碳酸鈉溶液體系，可降低析氧過電位，實現降低電耗。
文檔編號C25B1/10GK102212840SQ20101013952
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月6日 優先權日2010年4月6日
發明者萬平玉, 餘章龍, 姚寧寧, 鈕因健, 陳詠梅 申請人:北京化工大學