[发明专利]一种用于电化学过程的膜渗透电极

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于电化学过程的膜渗透电极，特别涉及一种具有由一层或多层多孔材料构成的具有膜分离作用的渗透电极。本发明的膜渗透电极可用于化工、环保、医疗卫生等领域的电化学过程，尤其适用于发生非均相反应的电化学过程。

背景技术

电极是燃料电池和电解池等电化学设备的关键部件，其基本功能是导电和发生电极反应。由于电场屏蔽作用和第二类导体电荷传输路径的影响，极间距和极板形状会影响到设备的槽电压、负荷电流密度和能耗，而电极反应表面的催化活性组份还会影响到电极反应的选择性。为缓解电极表面电化学反应的极化现象，通常需要采用错流等手段强化传质过程。此外，当有气体等非均相物质在电极表面集聚时，需要特别注意将其清除，以避免电极有效反应表面变小。为避免两极反应物料的相互影响，通常需要使用多孔隔膜、盐桥或离子交换膜将两极室分隔开。

最早应用的电极是非渗透性电极（丁二酸在Ti/TiO2膜电极上的电化学合成[J].高等学校化学学报, 2010, 31(10): 2046-2051），目前其在有机电合成等领域的科研与生产中仍有着广泛的应用。使用中需要在电极表面保留一定的流道空间，以便流体流通，降低电极表面的极化程度。但这同时也就加大了极间距，从而使槽电压升高，增大了设备的能耗。

以带有网孔的电极代替非渗透性电极，可以大大减小极间距，典型的应用出现在氯碱生产中，其电极槽实现了“零极距”（高电流密度零极距离子膜电解槽的应用[J].中国氯碱，2007，（04）：9-11）。所使用的电极材料有金属丝编织网、拉伸开孔板等，在实现电极功能同时可为中间隔膜提供支撑。此类电极上的网孔孔径一般较大（mm级），主要为电极两侧的流体提供传输通道，在应用中不能体现选择性透过的分离性能。此外，相对于极间距而言，电极表面的不平整程度很高，这导致电极反应主要集中在局部电极表面，进而影响到整体电极表面的利用率。

一般电极反应发生在催化活性表面上，将催化活性物质从具有特定形状的电极表面直接转移到电极间的隔膜表面，可以充分提高其催化活性，并能最大程度地缩短实际发生反应的极间距，典型的应用是质子交换膜燃料电池（PEM fuel cells）（燃料电池的技术发展及应用分析[J]. 武汉大学学报(工学版)，2003，36（04）：48-52）。以热压或电沉积的方式在质子交换膜两侧附着阴极催化剂和阳极催化剂，以碳纸或碳布作为气体扩散层，可以形成“膜电极”（MEA）结构。应用中由于与质子交换膜结合不牢，催化剂颗粒会脱落并从机械强度低且刚性差的气体扩散层流失。此外，由于膜两侧催化剂层传入和传出物流的相态不同，为实现物流的顺利传输，需要通过添加PTFE组分等手段对渗透介质进行疏水性处理。在高温热压条件下，部分催化剂还会丧失活性。复杂的程序和苛刻的要求导致生产成本高，工业化生产难度大。

为降低生产成本和便于规模化生产，有研究者提出了（申请号97122126，申请号200680051679）将催化剂制成独立的片状结构，贴附于离子交换膜两侧，然后与独立的多孔集流片、导流板、防腐片等一起构成一个电解池。该改进虽然使用了刚性的多孔集流片替代了柔性的气体扩散层，但将附着于质子交换膜表面的催化剂层制备为独立片层，因此仍存在各层间结合不紧密，接触电阻高，层间微结构不可控，气、液选择性透过性差等问题。

此外，还有以电镀沉积（申请号200610138715）等方式制备电极的报道，由于主要围绕固体电解质膜与电极对构成的“膜电极”（MEA）展开，着眼点为催化剂层的制备及其与电极间隔膜（固体电解质）的结合，强调催化剂在多孔基体表面和孔隙内沉积，未考虑各层的微结构及其与电极选择透过性关系，因此所制得的电极在应用中存在制作重复性差、运行不稳定、启动需要长时间活化等问题。

以微滤、超滤为代表的新型分离技术采用具有特定微结构的膜作为流体中不同物质分离的选择性屏障，可以实现膜过滤、曝气、膜萃取等膜处理过程。尤其在膜过滤过程中，大分子或非均相颗粒可被膜有效截留，与常规过滤相比，膜过滤具有分离精度高，节能的特点。利用导电多孔材料制备出同时具有膜分离功能和催化反应电极功能的膜渗透电极，将能够有效提高电极的工作效率，提高其工作稳定性和工作寿命。

发明内容

本发明提供一种用于电化学过程的膜渗透电极，该膜渗透电极同时具有膜分离功能和催化反应功能，能够有效提高电极的工作效率，提高其工作稳定性和工作寿命。本发明的渗透电极可用于化工、环保、医疗卫生等领域的电化学过程，尤其适用于发生非均相反应的电化学过程。