第2章电极材料和膜材料(2.5).ppt

第二章 电极材料和膜材料 参考书籍： 《功能电极材料及其应用》，刘业翔，1996 《化学修饰电极》，金利通，1992 《电极技术手册》，奥立龙公司，1998 《金属阳极》，陈康宁，1989 本章主要内容： 1、碳和石墨电极 2、金属氧化物电极 3、其它的不溶性阳极材料 4、阴极材料 5、多孔性隔膜 6、离子交换膜 2－1 碳和石墨电极 碳和石墨是电化学工业中应用最广泛的非金属电极材料。它既可作为阳极及阴极材料，又可作为电催化剂载体、电极导电组分或骨架、集流体。工作介质：水溶液和熔融盐。 碳和石墨在电化学应用中具有的优缺点： 优点： （1）导电及导热性能好。 （2）具有较好的耐蚀性。 （3）易加工为各种形态及不同形状的电极。 （4）价廉、易得。 缺点： 机械强度较低、易磨损，可在一定条件下氧化损耗。 一、碳和石墨的结构 碳的典型形态： 等轴晶系的金钢石、六方晶形的石墨、非晶体的无定形碳。 石墨的晶格结构： 二、碳和石墨的机械物理性质 机械物理性质：电阻率、机械强度。 三、碳和石墨的化学性质 化学性质： 比较稳定，在常温下与各种气体不发生化学反应。明显氧化反应：无定形碳，350℃。石墨，450℃。反应速度与碳材料的结构、气体压力有关。 除与强氧化性酸(如浓硫酸、浓硝酸、王水)及盐作用外，在一般的电解液中是稳定的。 四、碳和石墨在工业电解中的应用 1、在氯碱工业和工业电解中的应用 阳极析氯：析氯过电位低、导电好、易加工、价廉 阳极析氧：由于阳极析氧产生的石墨氧化及由于机械强度差产生的损耗，使极距增大、槽压升高，且堵塞隔膜，因而必须定期（6－8个月）更换石墨阳极和隔膜。 2、碳和石墨在有机电合成中的应用 阳极材料：在以阳极氧化制取产品时，电极的溶解成为严重问题，性能稳定的玻璃碳电极在有机电合成中得到成功的应用，可取代铂电极。 阴极材料：由于碳和石墨表面析氢过电位较高，在以阴极还原反应形成产物的电解合成中，是合适的阴极材料，可获得较高的产率及电流效率。 3、碳和石墨在水处理中的应用 利用碳材料高的比表面、良好的渗透性及价廉易得的优点，可在水处理中作为电解沉积、离子交换及电吸附的电极材料，回收其中的金属离子、除盐及净水。 如：采用多孔的碳和石墨电极，以电解方法，可 将Cu2+从浓度很低（10-2～10-4mol/L)的污水中回收，使其浓度下降为1％或更低。 4、碳和石墨在熔盐电解中的应用 石墨阳极：熔盐电解制取镁、钠、锂等金属 碳阳极：铝电解 石墨阳极和碳电极在电解时发生阳极氧化，生成属于消耗性的活性阳极。 2－2 金属氧化物电极 金属氧化物电极：将具有电催化活性的金属氧化物附载于基体表面。 过渡金属氧化物具有良好的电催化活性，按其结构可分为三类： 金红石型氧化物、尖晶石型氧化物、钙钛矿型氧化物 一、金属氧化物阳极（DSA) 2、DSA的组成、结构及导电性能 阳极组成：基体、涂层。 涂层组分：RuO2、TiO2。 RuO2作为析氯反应的电催化剂，具有优良的电催化活性，而TiO2与RuO2具有相似的晶体结构，形成金红石型固溶体，并可与钛基体表面的TiO2固溶，既可使活性组分Ru以稳定形式存在，又可使涂层与基体具有牢固的结合力。 DSA 阳极的导电性能： 介于金属与半导体之间，DSA阳极的电导率不仅与其化学组成有关，还与膜的微观结构、厚度、致密程度等多种因素有关。 3、DSA电极的制备 热分解氧化法： 将含有电催化剂及其它组分的涂液涂覆在钛基体表面，经高温热分解氧化，得TiO2和RuO2涂层 工序： 钛基体的预处理、配制涂液、涂覆、热分解氧化等。 DSA电极制备工艺中的技术关键： （1）涂层的成份：主要催化活化组分的选择及用量 如：对于析氯反应为主反应的氯碱工业、氯酸盐，次氯酸钠电解合成，主要电催化剂为RuO2，一般Ru的用量应达到8～12g/m2。 DSA电极的失活，与Ru的溶解有关，提高Ru的含量有利于延长电极的寿命； Ru含量过高，不仅使电极成本上升，且使涂层过厚，与钛基体结合力变差。 DSA电极制备工艺中的技术关键： （2）氧化温度 氧化温度影响涂层结构、成分和性能，目前一般采用430～450℃，可得到金红石型的RuO2和TiO2固溶体，其寿命长、活性高。 ①温度过低，氧化不完全，结合力差； ②温度提高，涂层中氧含量增加，电阻率降低，与基底结合力改善了； ③温度过高，电极比表面降低，甚至固溶体分解，涂层与基体结合力变差，电极寿命缩短。 4、DSA电极的应用 DSA电极由于对析氯反应具有突出的催化活性及在氯化物介质中高度稳定、耐蚀，因此主要用于涉及析氯电极过程的工业生产。