[发明专利]一种用于水溶液电解体系的金属阳极

说明书

技术领域

本发明属于水溶液电解领域，涉及一种析氧电极，特别是多孔金属电极，利用其高比表面积来降低析氧电位。

背景技术

电解水制取氢气和氧气的理论电解电压是1.23V，但实际上，由于氧和氢生成反应过程中的过电位、电解液电阻及其它电阻因素，实际需要的电压比理论值要高，在1.65-2.4V之间。过电位的存在增加了电解水能耗，根据法拉第定律，制取1m³(标准)氢气，理论电耗为2.87kWh，而实际电量为理论电耗的2倍。因此，应设法降低电极过电位，以减少电解水能耗。

在碱性水溶液中的电解过程，较高的析氧过电位是造成高能耗的主要原因。目前降低析氧过电位的方法主要有以下三种：(1)提高反应液温度；(2)增加电极面积；(3)在电极表面涂覆高活性催化剂。提高反应液温度对于水溶液体系而言，水的沸点是极限，继续加温加压将进一步增加成本。高活性催化剂的研制工作一直是研究热点，但催化剂在电极表面的负载并未有效解决，催化剂脱落现象严重。虽然增加电极面积可以降低电流密度从而降低析氧过电位，但是单纯增加电极尺寸，会使电解槽投资成本大大增加。

此外，水溶液电解行业的新工艺对析氧电极提出了新的要求。中国发明专利“一种碱溶碳分法生产氧化铝的工艺(申请号200710178670.2)”中提出了既能提高氧化铝生产效率又能实现碱液的循环利用的新工艺。该工艺中电解碳酸钠溶液制备氢氧化钠溶液和碳酸氢钠溶液是整个工艺流程的关键所在。该电解工序的阳极析氧，阴极析氢，工作时的槽电压高达2.5-2.9V，生产所需电耗比较高。因此，在控制设备投资成本的条件下有效降低电解工序槽电压，对该工艺实现工业化具有重要意义。

发明内容

根据塔菲尔方程η＝a+blgi，其中a和b都为正数。当电极活性物质固定时，a、b数值一定。若电流密度i增大，则过电位η相应增大。另一方面，电流密度i＝I/S，I为电流强度，S为电极面积。由此可知，当流经电极的电流强度I一定时，过电位η和lgS成反比，即增大电极面积S可以降低过电位η。也就是说，在水溶液电解体系中，在电极材质和催化剂相同的条件下，增大电极面积可以降低析氧电极的过电位η，但是，单纯增加电极面积会大大增加设备投资成本。

针对上述现有技术中的不足，本发明提出一种比表面积大的多孔金属板作为阳极基体、负载高活性催化剂的金属阳极，以降低水溶液电解体系的析氧过电位。

本发明提出的用于水溶液电解体系的金属阳极，其特征在于以多孔金属材料为基体，表面负载高活性催化剂。

本发明提出的多孔金属电极，由球状或不规则形状的金属或合金粉末经压制成片状，再经烧结制成。材料内部具有由均匀分布的连通宏观孔隙和孔壁上微米孔隙组成的三维孔隙结构，体积孔隙度为30％～60％，开孔隙率为60～99.7％，平均孔径1～100微米，杨氏模量为0.5～37GPa，抗压强度为0.04～2.2GPa。

本发明提出的多孔金属电极，其材质可以是钛、不锈钢、镍、铜等各种金属或合金。从耐蚀阳极的角度考虑，以钛为宜。

本发明提出的多孔金属电极，其表面涂覆催化剂层。催化剂是可以降低析氧过电位的物质，例如尖晶石类化合物及其它金属氧化物。涂覆的方法可以是将前驱体涂覆在多孔金属片表面、再高温烧结，或将制备好的催化剂采用电泳沉积的方式，或采用电化学方法直接在多孔金属片表面电合成。

本发明提出的多孔金属电极，由于其内部具有多孔结构，可以有效增加电极的电化学活性表面积，并且有利于负载催化剂，从而有效降低阳极的析氧过电位，实现节能降耗目的。

具体实施方式

下面结合比较例和实施例对本发明作进一步说明。

比较例1

将网状钛电极基体经碱洗除油水洗后，在草酸溶液(10％)中蚀刻3h，而后放置在蒸馏水中备用。将氯铱酸(H₂IrCl₆·6H₂O，AR，北京有色金属研究院)、正丁醇和浓盐酸按1∶10∶1的体积比混合均匀，用软呢绒刷笔均匀涂覆于上述钛网基体上，于120℃下烘干10min，然后在预定的450℃温度下焙烧15min，重复涂覆-干燥-焙烧过程4次，即制得钛基涂铱网状电极。