[发明专利]含有碳纳米管的耗氧电极及其制造方法

说明书

本发明涉及一种耗氧电极，特别是用于氯碱电解，其包含基于碳纳米管的催化剂涂层，以及涉及一种电解装置。本发明进一步涉及一种制造所述耗氧电极的方法，及其在氯碱电解或燃料电池技术中的用途。

本发明涉及一种耗氧电极，特别是用于氯碱电解，该电极具有新颖的电催化剂涂层，以及涉及一种电解装置。本发明进一步涉及一种制造耗氧电极的方法，及其在氯碱电解或燃料电池技术中的用途。

本发明从耗氧电极出发，所述耗氧电极本身是已知的且形成为气体扩散电极，并且通常包含导电性载体和具有催化活性组分的气体扩散层。

耗氧电极是一种气体扩散电极的形式。气体扩散电极为这样的电极，其中物质三态，即固态、液态和气态彼此接触，并且固态电子传导催化剂催化液相和气相之间的电化学反应。这里，固态电催化剂通常包含于厚度为约200 μm至500 μm的多孔薄膜中。

对于在工业规模电解槽中操作耗氧电极的各种建议原则上是现有技术已知的。基本思想是通过耗氧电极(阴极)替代电解(例如在氯碱电解中)的析氢阴极。可能的槽设计和解决方案的综述可以在Moussallem等人的公开出版物“Chlor-Alkali Electrolysis withOxygen Depolarized Cathodes：History，Present Status and Future Prospects”，J.Appl. Electrochem. 38 (2008) 1177-1194中找到。

耗氧电极，以下也简称为SVE，必须满足一系列基本需求，以便可用于工业电解器。因此，电催化剂和所有其它使用的材料必须对于使用的碱金属氢氧化物溶液，例如浓度为约32 wt%的氢氧化钠溶液化学稳定，以及在通常80-90℃的温度下对于纯氧化学稳定。同样需要高标准的机械稳定性，以便在面积通常大于2 m² (工业规模)的电解器中安装并操作电极。其它性能为：电催化剂的高导电性，高内表面积以及高电化学活性。用于输送气体和电解质的合适的疏水性和亲水性孔隙以及适当的孔隙结构也是必要的，例如密封性，使得例如气体空间和液体空间在电解器中彼此保持分离。长期稳定性和低生产成本是工业上可用的耗氧电极的其它特殊需求。

SVE技术在氯碱电解中应用的另一个发展方向是在SVE上直接放置离子交换膜，该膜将电解槽中的阳极区与阴极区分开。这种布局中不存在氢氧化钠溶液间隙。这种布局在现有技术中也称为零间隙布局。这种布局通常也应用于燃料电池技术中。其缺点是必须使形成的氢氧化钠溶液经由SVE输送至气体侧，随后向下流到SVE上。在这里，SVE中的孔隙不能被孔隙中的氢氧化钠溶液或氢氧化钠结晶堵塞。现已证明这里也可能出现极高的氢氧化钠浓度，因此离子交换膜对于这些高浓度并非长期稳定的(Lipp等人，J. Appl.Electrochem. 35 (2005) 1015-Los Alamos National Laboratory“Peroxide formationduring chlor-alkali electrolysis with carbon-based ODC”)。

必须完全避免使用廉价碳材料，例如炭黑或石墨作为载体材料，特别是在碱性介质中还原氧中，因为这些材料通常促进根据反应路径(I)的反应并因此导致电极寿命极大缩短和电流效率损失(O. Ichinose等人“Effect of silver catalyst on the activityand mechanism of a gas diffusion type oxygen cathode for chloralkalielectrolysis”，Journal of Applied Electrochemistry 34：55-59 (2004))。

使用电催化剂，例如其中存在担载在炭黑上的银的催化剂，和60℃至90℃的温度在碱性介质中还原氧的缺点是作为中间体形成的过氧化氢分解炭黑的碳，由此导致电极中形成裂纹以及电极的机械不稳定性和电极变得无法使用，其中“碱性介质”表示例如浓缩的，特别是浓度32 wt%的氢氧化钠溶液。由于这种“碳腐蚀”，担载的电极催化剂也变得与载体分离，电催化剂因此变得无法使用。