[发明专利]生成氢气用的阴极

说明书

技术领域

本发明涉及工业电解中使用的阴极。

背景技术

作为工业原料极其重要的氢氧化钠和氯气主要是通过电解食盐水 溶液法来制备的。

电解法已经经过使用汞阴极的汞法以及使用石棉隔膜和软铁阴极 隔膜法而转变为离子交换膜法，离子交换膜法使用离子交换膜作为隔 膜并使用具有低过压的活性阴极。在这这个时间期间，生产1吨苛性 钠所需要的电力消耗率已降至2,000kWh。

例如，活性阴极是用下述方法或材料而获得的。

即，所述方法包括：通过将氧化钌粉末分散在Ni电镀槽中并进行 复合电镀来获得活性电极的方法、通过含有诸如S或Sn的第二种组分 的NiO电镀来获得活性电极的方法、以及通过NiO等离子喷涂或Pt-Ru 浸渍镀来获得活性电极的方法；并且所述材料包括：拉尼镍、Ni-Mo 合金、和用于对逆电流赋予电阻的储氢合金(H.Wendt，Electrochemical Hydrogen Technologies，pp.15-62，1990、美国专利No.4,801,368、J. Electrochem.Soc.，137，1419(1993)、Modern Chlor-Alkali Technology， vol.3，1986)。

在日本专利No.1,911,015和1,911,016中，据报道铈和贵金属的 混合的催化剂具有抗铁污染性。近年来，在离子交换膜电解法中，已 经发明了增加电流密度的电解槽，用于增加生产能力并降低投资成本， 并且通过研制低电阻膜使得高电流载荷成为可能。

作为阳极的DSA在汞法中的运行记录高达200至300A/dm²。尽 管仍没有记录阴极在离子交换膜法中的寿命和性能，但是要求进行下 述改进。

即，要求过电压很低，当阴极与膜接触时不会损坏膜，并且由于 来自阴极中金属离子等而引起的污染很小。

当不进行这些改进时，难以使用迄今一直使用的阴极(该阴极在 其表面上具有大的凹陷和凸起，并且具有低的机械强度的催化层)。 为了实现新的方法，还必须研制一种即使在上述电解条件下也具有高 的性能和足够的稳定性的活性阴极。

在目前最普遍使用的使用活性阴极的电解食盐水溶液法中，阴极 被设置为与膜阴极侧的阳离子交换膜接触或者具有3mm或更小的间 隙。当水在催化层中反应从而形成氢氧化钠时，阳极反应和阴极反应 分别如下所示，其理论分解电压为2.19V。

2Cl^-＝Cl₂+2e(1.36V)

2H₂O+2e＝2OH^-+H₂(-0.83V)

然而，当常规的活性阴极用于在高电流密度下运行时，其涉及下 列几个严重的问题：

(1)与电极劣化有关的是，基板(镍、铁和碳组分)部分溶解， 并且离开以移至阴极溶液、膜或阳极室，这引起产品质量的下降和电 解性能的劣化。

(2)过电压随着电流密度的增加而增加，从而导致能量效率的降 低。

(3)气泡在电解剂中的分布随着电流密度的增加而增加，从而引 起形成的氢氧化钠的浓度产生分布，使得阴极溶液的溶液电阻损失增 加。

(4)当工作条件变得恶劣时，构成槽的材料的杂质(例如硫和铁) 的洗脱量增加，从而污染电极。

另外，希望阴极设置为与离子交换膜紧密接触(零间隙)，因为 这应当会使电压较低。然而，关注的是具有粗糙表面形状的阴极可能 使膜机械地破裂。因此，在零间隙条件下在高电流密度下使用常规的 阴极存在问题。

迄今为止人们已经提出用贵金属作为催化剂的阴极，并且这种阴 极在性能方面是有前途的。然而，存在价格问题，并且其使用量应当 必须降低。在这种情况下，催化层变薄，使得基板容易溶解和离开。 因此，也需要对其进行改进。

JP-A-2000-277966公开了一种通过使用加入草酸的涂液来制备包 含钌和铈的阴极的方法。JP-A-2006-299395公开了一种制备包含钌、铈 和铌三种组分的阴极的方法。JP-A-2006-118022和JP-A-2006-118023 公开了一种制备包含铂和铁族元素的合金、铜或银的阴极的方法。

专利文献1：JP-A-2000-239882

发明内容