[发明专利]一种能够极性反转的电极及其用途

说明书

本申请公开了一种能够极性反转的电极及其用途。该电极包括基体、中间层和催化层；其中，基体包括金属或其合金；中间层设置于基体上，中间层包括铂族金属和铂族金属氧化物；催化层设置于中间层上，催化层包括混合金属氧化物。该电极可作为电解、电渗析或电镀的电极。该电极可以同时满足阴极和阳极的工作环境要求，提高环境耐受性，实现对基体的保护；能够进行极性反转，快速高效的清洁电极表面的沉积物。

技术领域

本申请涉及但不限于电化学领域，具体地，涉及但不限于一种能够极性反转的电极及其用途。

背景技术

析氧钛电极作为一种环境友好的不溶性阳极，已经广泛应用于电化学工业中，主要应用集中于电化学水处理、金属元素的提取以及电镀等精加工过程。析氧钛电极主要由纯金属钛或钛合金基体以及其表面的贵金属氧化物催化剂层组成，基体提供导电和机械支撑，催化剂层则通过自身的氧化还原过程大幅降低水溶液中的氧析出电位以起到节能的效果，同时依靠其极低的电化学消耗速率使阳极具有较长的使用寿命。析氧催化剂主要为铱的氧化物，使用钛、钽或铌等阀型金属的氧化物与之混合可以使涂层更致密以保护基体不至于过快发生钝化；有时也使用钛或钽等阀型金属合金或混合氧化物作为中间层插入催化剂层和基体之间以保护基体。

在电解过程中，电极表面不可避免的会沉积一些附着物，这些沉积物会影响电极的电解效率，甚至导致电极的失效。因此，定期清洁电极表面的沉积物是非常必要的。

阳极表面由于是析氧反应为酸性环境，阴极表面由于是析氢反应为碱性环境。在酸性环境下产生的沉积物，一般在碱性条件下容易去除，反之亦然。在析氯电极中(部分析氧)，可通过反转电极的极性，使得电极表面的沉积物去除。但是对于析氧电极，目前的产品都无法达到反转后可以接受的寿命程度。发明人在对上述应用条件下的电极的研究中发现，除了涂层本身的稳定性元素在阴极化的条件下不够稳定，最主要的原因还在于基材，或者涂层和基体的界面发生了劣化。进而猜想是因为常规电极的基体材料(比如钛金属或钛合金)在做阴极时，基体的腐蚀速度大大加快，同时会生成氢化钛，由于密度-体积的变化，会导致涂层的脱落。

现有文献资料中指出，钛在水溶液中的电化学响应介于真正的阀金属(例如锆、铌、钽)和活性-钝态金属(例如铁、钴、镍、铬)之间。特别是，它的氧化膜形成类似于阀金属的氧化膜形成，而它的腐蚀类似于活性-钝态金属的腐蚀。James J.Noe(1999年，Manitoba大学博士论文，《The electrochemistry of Titanium corrosion》)提到了钛在酸性电解质中的电流-电位关系示意图，如图1所示。

在活化区域，钛可以以相对高的速率被氧化，在溶液中形成钛(III)离子，而在钝化区域，钛被氧化膜覆盖，并且只能非常缓慢地被氧化。在阳极应用中，钛基材应避免活化状态，并且阳极工作时的钛基材最好处在钝化状态下。合金化可以改变钛的钝化条件，它可以通过两种方式起作用：抑制阳极半反应，或增强阴极半反应。通过阴极改性诱导钛的钝化的合金元素包括铂、钯、镍、钼等。M.Nakagawa等的文章(The effect of Pt and Pdalloying additions on the corrosion behavior of titanium in flfluoride-containing environments，Biomaterials 26(2005)2239–2246)清楚地表明通过与铂和钯的合金化，钛的活化区域几乎消失，如图2和图3所示。

贵金属涂层本身无论析氢还是析氧都是比较稳定的，但是由于常规涂层加工工艺为热分解工艺，涂层存在很多的缺陷和裂纹。在常规的析氧应用中，阳极反应产生的低的pH值会大大加速基材的腐蚀。而常规的解决方案，一般都是加一层氧化钽为主的中间层，可以达到很好的延长寿命的效果。但是发明人已经发现这种类型的中间层无法解决极性反转的电极的寿命问题。

基于以上理解，对于极性反转的电极的应用，我们需要一种新的电极结构。能够避免基材的阴极化腐蚀，从而延长电极在反转电极析氧条件下的寿命。