[发明专利]催化粉末和用其制造的电极

说明书

本发明涉及电催化电极。本发明尤其涉及适用于电解槽如氯-碱槽的阴极。

通常通过电解氯化钠水溶液来制备氯气和苛性钠，一般称该工艺为氯-碱法。

应用最广泛的氯-碱法利用隔膜式槽或膜式槽。隔膜槽中，将碱金属卤化物盐水溶液加入阳极液室，在那里卤离子被氧化而生产了卤素气体。碱金属离子通过置于阳极液室和阴极液室之间的液压可渗透微孔隔膜迁移进入阴极液室。在阴极产生了氢气和碱金属氢氧化物水溶液。由于液压渗透隔膜，盐水可能流入阴极液室并且与碱金属氢氧化物溶液混合。

除了用液压不能渗透的阳离子选择性膜替代隔膜外，膜槽与隔膜槽的功能相似，该阳离子选择性膜选择性地使水合碱金属离子通过进入阴极液室。膜槽产生的碱金属氢氧化物水溶液基本上未受盐水的污染。

通常通过在导电底材上提供电催化涂层来制备电极。有用的催化涂层包括例如铂族金属，如钌、铑、锇、铱、钯和铂。有用的导电底材包括例如镍、铁和钢。

在阳极产生氯气并且在阴极同时产生氢氧根离子和释放出氢气几乎通常都需要高于下面反应热动能的槽电压。

提供额外的能量即过电压来克服其它各种参数，如电解质电阻、与阳极释放氯气有关的过电势和与阴极释放氢气和形成氢氧根离子有关的过电势。

已提议用各种方法通过改变表面特性来减少电极需要的过电势。本文所用的术语“过电压”是指电解槽所需的额外的电压，而本文所用的术语“过电势”是指电解槽内单个电极所需的额外的电压。

电极的过电势是其化学特性和电流密度的函数。电流密度定义为电极每单位实际表面积施加的电流。如通过酸洗或喷沙电极表面来增加电极实际表面积的技术导致了对一定量施加电流的电流密度的减少并且也减少了过电势的需要。

减少所需过电势的成果包括例如专利US4,66,8370和专利US4,798,662描述的内容，它们公开了适用于电解槽阴极的电极。其是自含有铂族金属盐的溶液将导电底材如镍镀覆含有一种或多种铂族金属的催化涂层而制备的。这两个专利都公开了通过减少电极所需过电势的电极设计来减少电解槽的操作电压。另外，专利US5,035,789、专利US5,227,030和专利US5,066,380公开了显示出低氢过电势的阴极涂层。

理想的阴极涂层性能是高孔隙度兼具大的内表面积。大的内表面积导致较低的有效电流密度并且由此导致较低的过电势。多孔电极的另一个结果是对杂质毒害的高阻力。典型多孔电极的粗糙外表面使得作为杂质的金属离子很难电沉积，并且由于长的扩散路径电解质中出现的杂质金属离子不容易达到高电活化的内表面。专利US5,645,930描述了这些特征。    

通常利用金属镀覆以在电极上形成强化涂层。例如专利US4,061,802和专利US4,764,401描述了在无电沉积镀镍之前用氯化钯活化塑料或金属底材。

图1是本发明催化粉末颗粒横截面的放大图。

图2是本发明电极的部分横截面的放大图。

一方面，本发明的催化粉末包括大量的含有过渡金属或其合金的载体金属颗粒；和包覆载体金属颗粒的涂层，该涂层含有电催化金属涂层或含有金属连续相与颗粒材料混合的涂层。

第二方面，本发明涉及一种电极，该电极包括导电金属底材；和第一层，该第一层含有催化粉末分散于其中的基体，该基体含有铂族金属氧化物或铂族金属氧化物和阀金属(valve metal)氧化物的混合物，催化粉末含有用电催化金属涂层包覆或由含有电催化金属与颗粒材料混合的涂层包覆的载体金属颗粒。

第三方面，本发明涉及制造电极的方法，该方法包括形成催化粉末；混合催化粉末和分散介质以形成混合物；将该混合物涂覆至导电金属底材上以形成被覆的底材，在有氧气存在下焙烧该被涂覆底材；选择性地用合金镀覆工艺强化该涂层的粘结性和强度的步骤。

本发明是有优越性的，因为首先将多孔涂层混合物涂覆于粉末而不是直接涂覆于金属底材，由此产生了相对于现有技术大得多的内表面积。大的内表面积导致低有效电流密度并且由此产生了较低的过电势。因此，由于利用本发明增大了表面积，根据本发明制造的电极所需的过电势相对于上面引用的现有技术电极也减小了。

图1表示本发明催化粉末颗粒10的放大图。如图所示，催化粉末颗粒10包括一个由多孔涂层包覆的载体金属颗粒11，该多孔涂层含有颗粒材料13分散于其中的连续相12。