[发明专利]一种有色金属电沉积用轻质复合电催化节能阳极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种有色金属电沉积用轻质复合电催化节能阳极及其制备方法，涉及有色金属冶炼、复合材料、熔盐化学、电化学、化工、金属表面处理技术领域。

背景技术

2008年，我国十种有色金属总产量突破2520万吨，总消费量2517万吨，2009年总产量虽略有下降，但仍保持了连续多年位居世界第一的势头。与火法冶炼相比，湿法冶炼过程具有生产能力大、效率高、操作条件好、环境污染小、以及有价金属综合回收率高等优点，是当今有色冶炼产业主要的发展方向之一。

在Cu、Zn、Ni、Mn、Co、Cr等金属的湿法电解工序中，Pb基合金常被用作不溶性阳极，电解液常为高浓度的硫酸溶液。由于硫酸的强腐蚀性能，在电解过程中，阳极发生的主要反应为O₂的析出反应，由于Pb表面生成的PbO₂的析氧催化活性差，使得O₂的析出过电位高。以锌电积为例：湿法炼锌过程的总能耗大约为4100kWh/t-Zn，其中电积工序的能耗约为3200kWh/t-Zn，占总能耗的80％。而在正常的工作电流密度下，其析氧过电位接近1V，由此增加无用电耗近1000kWh/t-Zn，约占Zn电积工序总能耗的30％。此外，Pb基合金阳极还存在以下问题：①阳极中需添加贵金属Ag，使得阳极制备成本较高；②Pb基合金阳极密度大、强度低、易弯曲蠕变，造成短路，降低电流效率，增加能耗；③Pb基合金阳极的PbO₂钝化膜疏松多孔，电解过程中Pb基体的腐蚀及阳极泥的脱落，不但使阳极腐蚀快、单耗高，也导致阴极产品Zn受到Pb的污染。因此，寻找新型阳极材料以节约电能、提高电锌品质一直是有色金属湿法冶炼领域的一个重要研究方向。

一直以来，人们对锌电积阳极材料的研究主要集中在以下几个方面：

(1)Pb基多元合金。这类阳极有Pb-Ag、Pb-Sb、Pb-Ca、Pb-Co等二元合金，Pb-Ag-Ca、Pb-Ag-Ti、Pb-Ag-Sn、Pb-Sr-Sn、Pb-Ca-Sn等三元合金及Pb-Ca-Sr-Ag、Pb-Ca-Ce-Ag等四元合金。尽管Pb基多元合金在节省贵金属Ag及提高阳极机械强度等方面取得了较好效果，但有些多元合金阳极上析氧过电位不但没有降低，反而有不同程度的提高，且其制备过程复杂，难以产业化。

(2)DSA(Dimensional Stable Anode)，此类阳极以Ti为基材，在其表面涂刷含RuO₂、IrO₂等金属氧化物组分的涂层，经高温固化形成牢固粘附膜，具有金属导电性和电催化活性，是一种新型金属氧化物电极。DSA与Pb-Ag合金阳极相比，有很多优点：外形尺寸稳定，无变形弯曲引起的短路问题；可以完全消除阳极Pb对阴极产品的污染，产品合格率高；有效降低析氧过电位，节约电耗；极板重量轻，方便搬运和更换；可用于多种电积液体系；适用于高电流密度(4.5～6.0kA/m²)和窄极间距(约5mm)的电积条件。但是钛基DSA阳极真正用于锌电积工业生产还面临使用寿命短，钛基体容易钝化以及阳极涂层中采用的金属易引起阴极烧板等缺点。

(3)复合涂层阳极。这类阳极主要是在Pb、Ni、Al、Pt、Au等金属表面电沉积Pb-M3O_x、Ni-M3O_x、PbO₂-M3O_x、Tl₂O₃-M3O_x等复合镀层，制得具有一定催化性能的复合材料。研究表明，该类阳极在电解初始阶段可以使析氧电位大大降低，腐蚀速率减小、电流效率也有一定的增加，但在长时间电解实验中却发现各阳极均会表现出不同程度的失效，阳极寿命较短，尤其是Al基体表面电沉积复合镀层，因为它通常是在Al表面涂敷导电涂料或浸锌后实现的，使得阳极的活性电催化涂层与基体被机械的隔离，两者结合性差，严重影响了使用寿命，这也成为制约其发展的一个主要瓶颈。因此，如何有效提高镀层的稳定性、延长阳极寿命成为人们普遍关注的焦点问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提出一种有色金属电沉积用轻质复合电催化节能阳极及其制备方法，该工艺制得的阳极可有效降低生产能耗，提高阴极产品质量，降低劳动强度，可替代当前工业应用的Pb基合金阳极。

本发明是通过以下方案实现的：

一种有色金属电沉积用轻质复合电催化节能阳极，由内到外依次由金属基体、中间层和复合电催化表面层组成，其中：