[发明专利]一种电极单元及其组成的电极

说明书

本发明公开了一种电极单元及其组成的电极，所述电极单元包括电极催化层，所述电极催化层由包括导电金刚石颗粒的材料构成。由上述电极单元组成的电极包括阳极和阴极，所述阳极和/或阴极采用所述的电极单元，所述电极还包括PEM膜，所述阳极和阴极分别设置在所述PEM膜的两侧。用导电金刚石颗粒作为电极催化层无需使用金属或半导体或陶瓷等基底材料，不存在热膨胀系数差异或机械加工问题，极大程度降低了制造成本。

技术领域

本发明属于电极单元技术领域，更具体地，涉及一种电极单元及其组成的电极。

背景技术

近年来，采用导电金刚石作为阳极材料产生臭氧。金刚石材料具有无与伦比的优异的抗氧化性和电化学稳定性，特别是，可以通过掺杂来改变其导电性能，另外，金刚石电极在水解反应中是惰性的。但也存在着一些问题，如专利CN200610092267和CN201110033910的实施例1公开了采用其上沉积有导电金刚石膜的铌基底材料作为阳极，专利CN201410747989公开了其上沉积有金刚石膜的多孔钛作为阳极，由于在应用中存在发热和冷却等过程，不管是金属铌还是金属钛都跟金刚石的热膨胀系数有着数量级的巨大差异，这种结构导致使用过程中金刚石容易脱膜，从而电解单元寿命短。专利CN201010216252公开了在凹凸形状的硅片上沉积导电金刚石膜作为阳极，其基底材料硅片加工制造困难，制造成本高，另外，硅片本身导电性能差电阻较大，使用中发热严重，降低了臭氧发生效率。专利CN201180065579公开了采用导电金刚石厚膜(板)作为阳极材料，这种材料生长时间长，成本高，难以推广。

臭氧是世界上公认的最为广谱并且高效的杀菌剂，当臭氧达到一定浓度后，臭氧可迅速杀灭水中和空气中的细菌，更为重要的是臭氧在杀菌后被还原成氧，因此是一种绿色环保的消毒剂。臭氧可溶于水中并形成臭氧水，除了能够杀灭水中的细菌外，还能分解水中的有机物等有害污染物质，同时对水起到一定的脱色作用。

传统用于制备臭氧的技术为电晕法臭氧产生技术，是一种将干燥的含氧气体通过电晕高压放电去产生臭氧的方法，这种技术产生臭氧产量较大，可以实现工业化生产，但是也存在较多缺点。臭氧发生过程中，必须配备效果优良的气体干燥和发生装置以及冷却系统，从而导致设备庞大、投资费用较高，并且不方便进行移动，产生的臭氧体积占比为1～6％，并且臭氧混合物中含有一定数量的氮氧化合物等致癌物质。

电化学法制备臭氧是一种极有前途的技术，相对常规方法，具有浓度高，纯度高，水溶解度高，体积小，移动方便，能耗低的优势，且浓度可达13％以上，不产生有害的氮氧化合物，具有广阔的应用前景。

在电化学发生臭氧的技术中，阳极是臭氧产生的核心部件。现有已经将例如铂等贵金属，Alpha-二氧化铅，Bita-二氧化铅或浸有碳氟化合物的玻璃碳作为电极材料，但是，这些材料的可操作性很差，并且其推广很缓慢。目前，阳极催化层广泛采用的是二氧化铅，阴极催化层多采用铂金Pt。然而在电化学产生臭氧的过程中，要求阳极的工作电流密度较高(1-3A/cm²)，对二氧化铅电极表面的腐蚀依然比较严重，导致产生臭氧的电流效率下降过快。二氧化铅存在较多的缺陷，在高电压和酸性条件下易重结晶，造成阳极催化层催化效率不稳定，易脱落，臭氧产量波动大，膜电极工作寿命短等缺点。不仅如此，在产生臭氧过程中，二氧化铅本身不断析出剧毒的铅，同时，由于水中存在钙离子会对电极本身产生淤积等问题，限制了这种电化学装置只能采用纯净水作为电解材料，而不能采用更为经济和使用广泛的自来水。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种电极单元。该电极单元的电极催化层采用导电金刚石颗粒作为阳极，具有比表面积大，产生气体体积占比更大的优势，还因为其天然的颗粒之间的空隙使得电极具有更佳的透水和透气性，无需金属或半导体或陶瓷等基底材料，不存在热膨胀系数差异或机械加工问题，极大程度降低了制造成本。

本发明的另一目的在于提供一种由上述电极单元组成的电极。该电极可以组成原电池，也可在通电的状态下形成电解单元。