[发明专利]一种金属钛材料的处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学电源储能领域，具体为一种钛材料的处理方法及其在氢溴酸电解池中的应用。本发明不仅限于在氢溴酸电解池中的应用，还可作为扩散层或电极在氢溴燃料电池和氢溴可再生储能电池中使用。

背景技术

随着经济的发展和人们生活水平的提高，整个社会对电能的需求越来越多，依赖程度也越来越高。化石能源资源的有限性及其过度使用所带来的环境污染，促使人们越来越重视对清洁、可再生能源的开发和利用。氢气以其清洁、高效、无污染等优点，被视为最理想的能源载体。由于溴电极比氧电极具有更高的可逆性，电解氢溴酸制氢与电解水制氢相比电解电压更低，具有更高的能量效率。工作时，电解液通过循环泵输送到电解池内，在电极上完成电化学反应后流回到储液罐中。其电极反应为：

阳极反应：2Br^-→Br₂+2e^-E°＝1.098V

阴极反应：2H⁺+2e^-→H₂  E°＝0.000V

在标准状态下，电解池的正负极电势差是1.098V。

美国专利US4520081中提出一种氢溴燃料电池的结构。该电池既可以用于燃料电池也可以作为电解池使用。电池端板材料采用石墨，溴电极和氢电极流场均为石墨毡，氢电极则是在石墨上镀铂，使用的电解质膜是质子交换膜。美国专利US5833834中发明一种制氢系统，包括氢溴酸电解池、氢溴燃料电池和太阳能反应器。该专利中对于电解池和燃料电池均未给出具体结构。专利WO2006110780发明一种电化学制氢方法，利用电解池电解SO₂和水或电解HBr气体制备氢气。电解池采用质子交换膜，阴阳极为多孔气体扩散电极，催化剂为RuO₂或Pt，流场为多孔碳。专利WO2010124041使用电解池电解氢溴酸溶液制备溴和氢气，但未给出电解池具体结构和材料。中国专利CN101457367A描述了一种固体聚合物电解质水电解槽，阳极流场采用多孔钛、钛网、钛金属毡。专利CN101388463A，描述了一种质子交换膜水电解膜电极的制备方法，支撑层采用钛网，扩散层采用涂覆贵金属的多孔碳或多孔钛材料。中国专利CN1988226A描述了一体式可再生燃料电池双效氧电极扩散层的制备方法，表面镀铂或金的钛网、钛毡与支撑扩散层前驱体制备一体化抗腐蚀扩散层。与纳米二氧化钛粉末相比，二氧化钛纳米管阵列具有更高的光电转化效率和光催化性能，在太阳能电池和光催化等方面具有不可估量的潜在应用价值。专利CN101748463、CN102220616和CN102212862分别报导了在钛基底上制备大面积无缺陷、形貌规整的二氧化钛纳米管阵列的方法，其氧化电压在5-100V之间，氧化时间都大于30min。

以上专利中氢溴酸电解池使用碳材料而未使用钛材料作为流场或扩散层，固体聚合物电解质水电解槽和一体式可再生燃料电池使用钛材料作为流场或扩散层未经进一步处理，表面积小、无催化活性或催化活性低；二氧化钛纳米管阵列的制备中氧化时间要大于30min，耗时较长，并且二氧化钛是半导体材料电导率低，将二氧化钛纳米管阵列应用于氢溴酸电解池体系必将增加电解池的接触电阻，提高电解电压。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足而提供一种处理工艺简单、显著降低电解电压、提高能量效率的金属钛材料的处理方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种金属钛材料的处理方法，其处理方法为：

1)将金属钛材料表面净化处理；

2)将处理过的金属钛材料作为阳极，铂片或石墨片作为阴极，放入电解液中进行恒压阳极氧化；

3)氧化后在其表面电沉积一层贵金属催化剂；或氧化后在其表面涂覆一层贵金属催化剂前躯体后，放入马弗炉或管式炉中300-500℃焙烧1-2h。

所述金属钛材料为烧结多孔钛、钛毡、钛网或泡沫钛。

金属钛材料表面净化处理除去钛材料表面的油污和氧化物，过程为：将金属钛材料依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗除油，用抛光液(HF∶HNO₃∶H₂O体积比1∶4∶5)除表面氧化物。

所述电解液溶质为氟化物，溶剂为水，添加剂为有机溶剂，氟化物含量为0.1-0.5wt.％，水含量为1-10wt.％，剩余为有机溶剂；所述氟化物为HF或NH₄F，所述有机溶剂为乙二醇、丙三醇、N-甲基甲酰胺或二甲基亚砜其中的一种或乙二醇与二甲基亚砜任意比例混合。