[发明专利]用于工业电化学工艺中析氧的电极

说明书

技术领域

本发明涉及一种适合于作为电化学电池中阳极来运行的电极，例如作为电冶金工艺中电解池的析氧阳极。

发明背景

本发明涉及一种用于在工业电化学工艺中使用的电极，例如在考虑到在阳极处析出氧的电解应用中。用于析氧的阳极被广泛地用于不同的电解应用中，这些电解应用中的一些涉及电冶金领域，覆盖了宽范围的施加电流密度，这个电流密度可以是大幅度降低的（例如几百A/m²，诸如电解冶金工艺的情况）或者还有非常高的（例如在高速电镀中，它可以超过10kA/m²来运行，参照的是阳极表面）；析氧阳极的另一个应用领域是在强制电流下的阴极保护。适合用于阳极析氧的电极可以从阀金属（valve metal）（例如是钛及其合金）的基底开始而获得，这些阀金属的基底涂覆有基于过渡金属或其氧化物的催化组合物，其特征为，它们的降低氧阳极放电反应的过电压的能力，这个过电压过高太多而不允许在缺乏催化系统的情况下完成工业过程。适合用于催化该阳极析氧反应的组合物例如由一种铱的氧化物与钽的氧化物的混合物构成，其中铱起着催化活性种类的作用而钽则有助于形成一个致密涂层，该致密涂层能够保护该阀金属基底免受多种腐蚀现象，尤其是在与多种侵蚀性电解质一起工作的时候。适合用于许多工业电化学工艺中的阳极析氧的阳极配方包括一种钛基底以及一种催化涂层，该涂层由铱和钽的氧化物以相对于这些金属为65%Ir和35%Ta的摩尔组成而构成。在一些情况下，例如为了能够与非常酸性的或者其他腐蚀性电解质一起工作，可能有利的是将一个中间保护层插入钛基底与催化涂层之间，该中间保护层例如由钛和钽的氧化物以相对于这些金属为80%Ti和20%Ta的摩尔组成而构成。这种类型的电极可以按不同的方式制备，例如通过在高温例如400℃到600℃热分解一种前体溶液。具有以上指定组成的电极可以在低电流密度和高电流密度两者下以合理的工作寿命满足若干工业应用的要求。一些制造工艺的经济性，尤其是在冶金领域（例如，在电镀工艺中沉积铜用于生产印刷电路和铜箔）中，仍然要求持续时间越来越高且结合了即便在高电流密度下也适当降低的析氧电位的电极：析氧电位实际上是决定其工艺工作电压以及因此整体能量消耗的主要因素之一。此外，基于阀金属基底上贵金属或者其氧化物的阳极的工作寿命在特别有侵蚀性的污染物的存在下显著减少，这可以建立加速腐蚀现象或者阳极表面污染的现象。因此已经得到证明的是对于以下析氧阳极的需要，这些析氧阳极的特征为低的析氧过电位并且特征为更高的工作寿命，甚至在特别关键的工艺条件下，诸如高电流密度或者存在着特别有侵蚀性的电解质，例如由于存在着多种污染种类。

发明概述

本发明的多个方面列出在所附权利要求书中。

在一个实施例中，本发明涉及一种用于电化学工艺中析氧的电极，该电极包括一个阀金属基底、一个催化涂层，该催化涂层包括一个内层和一个外涂层，该内层为铱和钽的氧化物、具有相对于这些金属为Ir60%-70%、Ta30%-40%的摩尔组成，并且该外涂层包含2到7g/m²的一种阀金属氧化物。

为了本发明的目的，根据US6,287,673中提出的定义，阀金属氧化物在此旨在是一种金属，该金属在被氧化时，如果被用作阴极就允许电流流过，但在被用作阳极时就对抗电流的流动。阀金属的实例包括：镁、钍、镉、钨、锡、铁、银、硅、钽、钛、铝、锆、以及铌。

在一个实施例中，该外涂层由一种单一的阀金属氧化物构成。这能够具有保存外层的阀金属性能的优点，因为外层的阀金属与另一种具有不同化合价的元素的相互作用可能会带来一种掺杂效应并且妨碍对抗阳极电流。

诸位发明人已经出人意料地观察到在指定负载下添加阀金属氧化物的外涂层能够显著增加用于阳极析氧的电极的持续时间，同时改进其对于多种污染种类的存在的容许性，而对于其析氧电势影响很小。

在一个实施例中，该催化涂层由多个层构成并且还包括插入在该第一催化层与该外层之间的一个铱、钽、以及钛的氧化物的第二中间层，该第二中间层相对于这些金属的摩尔组成为Ir76%-84%、Ta15%-23%、Ti0.2%-1.3%。这可以具有进一步增强该电极持续时间的优点。

在一个实施例中，该外层的阀金属氧化物是钽的氧化物或锡的氧化物或者锆的氧化物。

在一个实施例中，该催化层中铱比负载是5到50g/m²。在一个实施例中，根据本发明的催化层的外层中多种氧化物的比负载是2.9到3.5g/m²。其优点是确保对析氧电势的影响变得是可忽略不计的或者为零。