[发明专利]一种电解产氯的碳基阳极材料及其应用

说明书

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种电解产氯的碳基阳极材料及其应用，所述碳基阳极材料所述原材料包括掺杂非金属碳基材料、掺杂非贵金属碳基材料和负载非贵金属氧化物碳基材料中至少一种；通过掺杂不同元素，引入官能团的种类和数量，调控碳基材料中碳原子p轨道在费米能级附近的填充度，达到对电化学产氯反应中间体吸附能的精确调控，最终实现在电解产氯具有高催化活性、高选择性以及在强酸性条件下具有长效稳定性的特点。可广泛应用于氯碱工业、电解海水制氯、电渗析、电解海水盐水防污、污水处理、泳池或饮用水消毒等领域。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种电解产氯的碳基阳极材料及其应用。

背景技术

电化学催化产氯是目前最有价值和应用最为广泛的电化学反应之一，其应用领域包括 氯碱工业、电解海水制氯、电解海水防污、污水治理以及化工合成等。电化学产氯的关键 之一是电解用阳极。早期在氯碱工业中选择石墨作为析氯阳极，但其所需工作电压大、寿 命短，因此开发了具有高稳定性的钛基金属氧化物，并在随后几十年的发展和应用中，逐 步形成了一系列在金属钛板上负载以钌、铱等贵金属氧化物为活性组分，混合有二氧化钛 的二元复合涂层电极——尺寸稳定阳极(DSA)。

尽管DSA电极作为析氯阳极在氯碱工业应用中展现出了优异的催化活性及稳定性，但 是其所需的贵金属价格高昂、供求紧缺以及在酸性条件下，金属氧化物固溶体结构不稳 定，易溶出而带来潜在的环境风险等问题。针对低氯离子浓度的海水或污水，DSA电极的 副反应析氧活性高，其金属氧化物固溶体结构易遭到破坏，同时海水中存在多种阴离子、 阳离子，易使活性组分流失，并导致钛基体钝化，造成DSA电极失效等问题。上述缺点严重的制约了贵金属基DSA电极的量产化及该技术在各领域的扩大应用。

近年来大量研究发现，非金属碳基材料在电化学氧还原反应、燃料电池中都展现出了 可媲美与贵金属催化剂的优异性能。但在，针对碳基材料在电解产氯领域的相关研究仍然 十分匮乏。鉴于碳基材料的低成本和高可设计性，实际开发碳基电解产氯催化剂和电极材 料无疑具有重要的应用价值和科学意义。

发明内容

本申请提供了一种电解产氯的碳基阳极材料和应用，以解决现有技术中贵金属基DSA 电极中金属氧化物固溶体结构不稳定，易溶出，电极易失效的技术问题。

一种电解产氯的碳基阳极材料，所述碳基阳极材料包括掺杂非金属碳基材料、掺杂非 贵金属碳基材料和负载非贵金属氧化物碳基材料中至少一种。

可选的，所述掺杂非金属碳基材料的掺杂原子为非金属原子，所述非金属原子包括 氧、硼、氮和硫原子中至少一种；所述掺杂非贵金属碳基材料的掺杂原子为非贵金属原子，所述非贵金属包括钴、铁、铜、镍和锰中至少一种，所述掺杂非贵金属氧化物的掺杂 物为非贵金属氧化物，所述非贵金属氧化物包括含钴氧化物、含铁氧化物、含铜氧化物、 含镍氧化物和含锰氧化物中至少一种。

可选的，掺杂非金属碳基材料中，所述非金属原子与碳原子的摩尔比大于1∶100；掺 杂非贵金属碳基材料和负载非贵金属氧化物碳基材料中，所述非贵金属原子与所述碳原子 的摩尔比大于1∶100。

可选的，所述碳基阳极材料为以基底碳和掺杂原子形成的碳基材料，所述基底碳包 括：石墨、导电炭黑粉末、碳纳米管、活性炭、碳凝胶、碳纳米分子筛、碳纤维和碳化生 物质中至少一种。

可选的，所述碳纤维包括：碳纸、碳绒、碳布和石墨毡中至少一种；所述碳化生物质包括：壳聚糖、纤维素和木质素中至少一种。

可选的，所述碳基阳极材料以碳基材料为原材料形成的具有含氧官能团的碳基阳极材 料；所述含氧官能团包括：羟基、羰基、羧基和酯基中的至少一种。

可选的，所述碳基阳极材料的比表面积大于500m²/g。

一种气体扩散电极，所述气体扩散电极包括以所述碳基阳极材料为原料制备得到，用 于电解产氯。