[发明专利]一种膜电极低压电解式臭氧发生器的膜电极及其阳极和阳极的制作方法

摘要

一种膜电极低压电解式臭氧发生器的膜电极及其阳极和阳极的制作方法涉及电解臭氧发生器的膜电极。本发明采用电催化活性高、耐蚀性高、无二次污染的硼掺杂金刚石作为阳极催化剂，进一步，利用气相沉积法将硼掺杂金刚石直接沉积于多孔钛板上，并与聚合物质子交换膜热压成集多孔钛板、阳极催化剂与聚合物质子交换膜于一体的阳极结构。与现有技术相比，该阳极结构不仅制备工艺简单，组装方便，有利于批量生产，而且沉积于多孔钛板表面的硼掺杂金刚石薄膜具有多孔结构，有效提高透水、透气性能，避免由于透水透气不畅导致催化剂性能的下降、槽压和温度升高等现象，提高膜电极使用寿命，保证膜电极电解臭氧发生器能长期稳定运行。

主权项

1.一种膜电极低压电解式臭氧发生器的膜电极，由一阳极结构和一阴极结构构成；所述阳极结构包括一聚合物质子交换膜，其特征在于，所述聚合物质子交换膜上压紧有一沉积有阳极催化剂的多孔钛板，构成所述阳极结构；采用硼掺杂金刚石材料作为低压电解臭氧发生器膜电极的阳极催化剂；采用硼掺杂金刚石材料直接沉积于多孔钛板上，所述硼掺杂金刚石材料沉积形成的硼掺杂金刚石催化层具有多孔结构；通过化学气相沉积法将阳极催化剂直接沉积在多孔钛板上，再与聚合物质子交换膜热压构成集多孔钛板、阳极催化剂和聚合物质子交换膜为一体的膜电极阳极结构；所述阴极结构包括一碳载铂阴极催化剂膜片；将膜电极阳极结构，与碳载铂阴极催化剂膜片，组装成完整的膜电极；所述多孔钛板上设有复数个孔隙，所述硼掺杂金刚石材料沉积在所述多孔钛板的下表面和所述多孔钛板的下部的孔隙内；选取平均孔径为25μm的多孔钛板为研究基体，并将其剪切成尺寸为30mm×30mm正方形片，将上述多孔钛板基材放入由氢氧化钾、磷酸三钠和乙二胺四乙酸组成的水溶液，在50‑60℃下浸泡5分钟去除表面油脂，并利用20％硫酸水溶液在50‑60℃下对多孔钛板进行酸刻蚀5‑8分钟获得表面具有一定粗糙度的新鲜的基体表面，对上述的多孔钛板基材料表面进行研磨处理，采用粒径为2.5μm的金刚石研磨膏在磨抛机上研磨2‑5分钟，磨盘转速为300r/h，研磨后依次在丙酮溶液和去离子水中超声清洗5‑10分钟，并用氮气吹干放入真空瓶中待用，利用热丝辅助化学气相沉积法在上述的多孔钛板基材表面沉积硼掺杂金刚石薄膜，在化学气相沉积过程中，严格要求甲烷和氢气体积比为1：99和硼烷和氢气体积比为2：98，并控制硼和碳的原子比为2.5％，反应温度为800℃，反应室压力5kPa，沉积时间为6小时，所获得硼掺杂金刚石薄膜平均厚度为6μm，通过上述步骤，制备一种直接沉积于多孔钛板上多孔型硼掺杂金刚石薄膜作为低压电解式臭氧发生器的阳极催化剂；采用热压机将上述的多孔钛板覆盖有硼掺杂金刚石薄膜一侧与聚合物质子交换膜热压，热压温度为80‑100℃，热压时间为5‑10分钟，为保证硼掺杂金刚石薄膜与聚合物质子交换膜完好地粘结，在热压之前，采用1500或2000号砂纸对聚合物质子交换膜表面进行粗化处理，并利用喷嘴对多孔钛板表面的硼掺杂金刚石薄膜表面涂覆少量Nafion溶液，通过上述步骤，制备一种以硼掺杂金刚石薄膜为阳极催化剂的膜电极的阳极结构；臭氧发生器的臭氧产率保持在700‑800mg/h范围内。