[发明专利]纳米晶合金、其制备方法、由其制成的阴极及其在氯酸钠电化学合成中的应用

说明书

本发明涉及含有Ti、Ru、Fe和O的新型纳米晶合金。本发明还涉及一种这些新型合金的制备方法。本发明还涉及一种在电解池中通过电化学合成生产氯酸钠的方法，所说的电解池具有与本发明的新型合金相同组成的、但不一定具有纳米晶结构的合金制成的阴极。

氯酸钠(NaClO₃)是一种大量用作纸浆和纸张工业中的漂白剂的产品。在北美，每年生产将近2百万吨氯酸钠。

在工业上，在与附图1所示的电解池一样的电解池中合成氯酸钠，称为“现有技术”。每个电解池包括许多双性电极1，在电解池的一端5垂直定向的软质钢板组成的阴极3之间，直线排列着这些双性电极，以及一个涂敷氧化钌的钛板组成的阳极7，所说的阳极垂直定向排列在电解池的另一端。每个双性电极1包括一个由软质钢板15组成的阴极11和一个由涂敷氧化钌的钛板17组成的阳极13。形成阴极11的钢板15放置的方式是排列在电解池末端9的作为阳极7的钢板之间，或者排列在形成相邻的双极电极的阳极13的钛板17之间。在每个双极电极1的阴极11和阳极13之间的连接用爆炸焊接法进行。

在所说的电解池中发生的化学反应如下：

一般来说，每个电解池中的溶液包括100～130/gl的NaCl，580～660g/l的NaClO₃和2～5g/l的Na₂Cr₂O₇，后一种产品用作稳定剂，并用来维持高的电流效率。溶液的pH值在5.8～6.8之间的范围内，反应温度约为70℃。

一般来说，连接处的操作条件如下：

连接处的电势差：在电极的液面处，在250mA/cm²的电流密度下为3.2伏

平衡电势(电流为O)：2.3伏

连接处的过电势：900mV

在这些条件下，可以预期得到每升溶液约80g的氯酸钠的排出速率。此外，可以回收在所说的电解池的每个阴极上产生的分子氢，用作能源。

本发明是本发明者为了改进用作氯酸钠的电化学合成的电解池的电效率进行的研究工作的结果，所说的电解池的耗电量是非常高的(约每个工厂50～100MW)。降低这个重要的耗电量的任何改进最终可能产生每年上百万美元的节约。

为了获得要求的氢释放量，同时在阳极表面合成氯酸钠，一种取得电解池电效率的这种改进的方法是降低电极表面上必须加到平衡电势中的“氢的过电势”。

在这方面，可以理解的是，300～400mV的氢过电势的降低可以改进合成电解池的能量效率10～13％。

因此，为了用性能更好的材料制成的阴极取代到现在为止仍然在工业中使用的钢电极，进行了广泛的研究。所以，用镍、钌、钛、铂、碳和钨等制成的电极进行了广泛的试验。如果这些试验材料中的一些在实验室中表现出了比现有技术有一些改进，由于下列原因，工业上也会把它们中的大多数放在一边不用：高价格、太短的阴极寿命(目前用的软质钢阴极的寿命约为7年)和/或事故的危险(尤其是用镍制成的电极，因为这种金属催化次氯酸盐分解可能产生分子氧，所以，可能产生与同时产生的分子氢发生爆炸的危险)。

本发明的基础是发现了特定组成并具有下文确定的结构的合金不仅对用于氯酸钠的电化学合成的阴极的制造是非常有效的，而且是便宜的、极其耐久的并且使用时非常安全。

根据本发明的合金特点在于它具有纳米结构并具有下列的分子式：

Ti_30+xRu_15+yFe_25+zO_30+tM_u

其中，M代表选自铬、锰、钒、钨、锑、铂和铅中的至少一种金属，所说的金属M用来代替Fe，优选的是由铬组成；

x是-30和+50之间范围内的数，优选的是在-20和+20之间，更优选的是在-5和+5之间；

y是在-10和+35之间范围内的数，优选的是在-10和+15之间，更优选的是在-5和+5之间；

z是在-25和+70之间范围内的数，优选的是在-25和+25之间，更优选的是在-5和+5之间；

t是在-28和+10之间范围内的数，优选的是在-28和+5之间；

u是在0和+50之间范围内的数，优选的是在0和+10之间；

选择x、y、z、t和u的限制条件为：x+y+z+t+u＝0