專利名稱：一種用于水溶液電解體系的金屬陽極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水溶液電解領(lǐng)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(shù)：
電解水制取氫氣和氧氣的理論電解電壓是1.23V，但實(shí)際上，由于氧和氫生成反應(yīng)過程中的過電位、電解液電阻及其它電阻因素，實(shí)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(jù)法拉第定律，制取Im3(標(biāo)準(zhǔn))氫氣，理論電耗為2. 87kWh，而實(shí)際電量為理論電耗的2倍。因此，應(yīng)設(shè)法降低電極過電位，以減少電解水能耗。在堿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(yīng)液溫度；( 增加電極面積；(3)在電極表面涂覆高活性催化劑。提高反應(yīng)液溫度對(duì)于水溶液體系而言，水的沸點(diǎn)是極限，繼續(xù)加溫加壓將進(jìn)一步增加成本。高活性催化劑的研制工作一直是研究熱點(diǎn)，但催化劑在電極表面的負(fù)載并未有效解決，催化劑脫落現(xiàn)象嚴(yán)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?cè)黾与姌O尺寸，會(huì)使電解槽投資成本大大增加。此外，水溶液電解行業(yè)的新工藝對(duì)析氧電極提出了新的要求。中國(guó)發(fā)明專利“一種堿溶碳分法生產(chǎn)氧化鋁的工藝(申請(qǐng)?zhí)?00710178670. 2)，，中提出了既能提高氧化鋁生產(chǎn)效率又能實(shí)現(xiàn)堿液的循環(huán)利用的新工藝。該工藝中電解碳酸鈉溶液制備氫氧化鈉溶液和碳酸氫鈉溶液是整個(gè)工藝流程的關(guān)鍵所在。該電解工序的陽極析氧，陰極析氫，工作時(shí)的槽電壓高達(dá)2. 5-2. 9V，生產(chǎn)所需電耗比較高。因此，在控制設(shè)備投資成本的條件下有效降低電解工序槽電壓，對(duì)該工藝實(shí)現(xiàn)工業(yè)化具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)塔菲爾方程η = a+blgi，其中a和b都為正數(shù)。當(dāng)電極活性物質(zhì)固定時(shí)，a、 b數(shù)值一定。若電流密度i增大，則過電位η相應(yīng)增大。另一方面，電流密度i = I/S，I為電流強(qiáng)度，S為電極面積。由此可知，當(dāng)流經(jīng)電極的電流強(qiáng)度I 一定時(shí)，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(zhì)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?cè)黾与姌O面積會(huì)大大增加設(shè)備投資成本。針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出一種比表面積大的多孔金屬板作為陽極基體、負(fù)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(fā)明提出的用于水溶液電解體系的金屬陽極，其特征在于以多孔金屬材料為基體，表面負(fù)載高活性催化劑。本發(fā)明提出的多孔金屬電極，由球狀或不規(guī)則形狀的金屬或合金粉末經(jīng)壓制成片狀，再經(jīng)燒結(jié)制成。材料內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(qiáng)度為0. 04 2. 2GPa。本發(fā)明提出的多孔金屬電極，其材質(zhì)可以是鈦、不銹鋼、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(fā)明提出的多孔金屬電極，其表面涂覆催化劑層。催化劑是可以降低析氧過電位的物質(zhì)，例如尖晶石類化合物及其它金屬氧化物。涂覆的方法可以是將前驅(qū)體涂覆在多孔金屬片表面、再高溫?zé)Y(jié)，或?qū)⒅苽浜玫拇呋瘎┎捎秒娪境练e的方式，或采用電化學(xué)方法直接在多孔金屬片表面電合成。本發(fā)明提出的多孔金屬電極，由于其內(nèi)部具有多孔結(jié)構(gòu)，可以有效增加電極的電化學(xué)活性表面積，并且有利于負(fù)載催化劑，從而有效降低陽極的析氧過電位，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目的。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合比較例和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。比較例1將網(wǎng)狀鈦電極基體經(jīng)堿洗除油水洗后，在草酸溶液(10% )中蝕刻池，而后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，用軟呢絨刷筆均勻涂覆于上述鈦網(wǎng)基體上，于120°C下烘干 IOmin,然后在預(yù)定的450°C溫度下焙燒15min，重復(fù)涂覆-干燥-焙燒過程4次，即制得鈦基涂銥網(wǎng)狀電極。用離子膜電解槽檢測(cè)電極性能，將此鈦涂銥電極為陽極，鎳涂釕電極為陰極，陽離子膜為隔離膜，陽極區(qū)的電解液為1. 5mol/L的Na2CO3溶液，陰極區(qū)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(dāng)電流密度為1000A/m2時(shí)平均槽電壓為2. 60V左右。實(shí)施例1將粉末冶金所得鈦板經(jīng)堿洗除油水洗后，在草酸溶液(10% )中蝕刻池，而后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，用軟呢絨刷筆均勻涂覆于上述粉末冶金鈦基體上，于120°C 下烘干lOmin，然后在預(yù)定的450°C溫度下焙燒15min，重復(fù)涂覆-干燥-焙燒過程4次，即制得粉末冶金鈦基涂銥電極。用離子膜電解槽檢測(cè)電極性能，將此粉末冶金鈦基涂銥電極為陽極，鎳涂釕電極為陰極，陽離子膜為隔離膜，陽極區(qū)的電解液為1. 5mol/L的Na2CO3溶液，陰極區(qū)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(dāng)電流密度為1000A/m2時(shí)平均槽電壓為2. 52V左右。實(shí)施例2將粉末冶金鈦板經(jīng)堿洗除油水洗后，在草酸溶液(10% )中蝕刻池，而后放置在蒸餾水中備用。將水合三氯化釕(RuCl3 · nH20，GR，上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)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，用軟呢絨刷筆均勻涂覆于上述Ti粉末冶金材料基體上，于120°C下烘干lOmin，然后在預(yù)定的450°C溫度下焙燒15min，重復(fù)涂覆-干燥-焙燒過程4次，即制得粉末冶金鈦基涂釕電極。 用離子膜電解槽檢測(cè)電極性能，將此粉末冶金鈦基涂釕電極為陽極，鎳涂釕電極為陰極，陽離子膜為隔離膜，陽極區(qū)的電解液為1. 5mol/L的Na2CO3溶液，陰極區(qū)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(dāng)電流密度為1000A/m2時(shí)平均槽電壓為2. 56V左右。
權(quán)利要求
1.一種金屬陽極，其特征在于以多孔金屬材料為基體，表面負(fù)載催化劑。
2.如權(quán)利要求1所述用于金屬陽極，其中多孔金屬材料由粉末冶金方法制得，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(qiáng)度為0. 04 2. 2GPa。
3.如權(quán)利要求1所述用于金屬陽極，用于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(fā)明提供一種用于水溶液電解體系的金屬陽極，其特征在于以多孔金屬材料為基體、表面負(fù)載高活性催化劑。多孔金屬材料比表面積大，有利于增加電極活性面積減少電流密度，并且有利于催化劑的負(fù)載。多孔金屬材料可以采用粉末冶金法制得。本發(fā)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(shí)現(xiàn)降低電耗。
文檔編號(hào)C25B1/10GK102212840SQ20101013952
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2010年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月6日
發(fā)明者萬平玉, 余章龍, 姚寧寧, 鈕因健, 陳詠梅 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)