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第2章 电极材料和膜材料
2-1 碳和石墨电极;碳和石墨在电化学应用中具有的优缺点:;一、碳和石墨的结构;石墨的晶格结构:;二、碳和石墨的机械物理性质;三、碳和石墨的化学性质和电化学性质;电化学性质:;四、碳和石墨在工业电解中的应用;2、碳和石墨在有机电合成中的应用;碳和石墨在有机电合成中的应用;3、碳和石墨在水处理中的应用;;4、碳和石墨在熔盐电解中的应用;2-2 金属氧化物电极;一、金属阳极(DSA);③Beer在50年代提出了钛极镀铂阳极的专利,然而因铂损耗大且昂贵,未能推广应用。
④60年代中叶,Beer研究出了“金属阳极”,并实现商品化生产,在氯碱工业中迅速推广,几乎取代了石墨阳极,被称为“现代电催化中最辉煌的成就”。
金属阳极(形稳阳极):以钛为基体,以RuO2和TiO2为电催化剂基本组分的金属氧化物电极。;1、DSA的特点(用于氯化物介质中析氯电极反应);2、DSA阳极的组成、结构及导电性能;DSA阳极结构:
(1)氧化物和电解液的宏观界面。
(2)氧化物和电解液的微观界面。由于电解液渗入涂层微孔和晶粒间形成的。
(3)氧化物和基体之间的界面。决定电极的稳定性。;1;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;DSA电极制备工艺中的技术关键:;Ru含量愈大,催化活性愈高,过电位愈低。;(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电极的失活;DSA电极失活机理;5、DSA电极的应用;5、DSA电极的应用;二、其它的金属氧化物电极;2、二氧化锰电极
在钛基体表面以热分解法或电沉积法制备的二氧化锰电极,在酸性氯化钠溶液中具有较高的稳定性,析氯过电位低于PbO2阳极,价廉。
为了改善电极性能(增加涂层结合力,降低接触电阻),还开发了Sn、Sb中间层的二氧化锰电极。;2-3 其它的不溶性阳极材料;二、铁、镍及铁基合金(包括碳钢、铁合金不锈钢)
主要适用于碱性水溶液及熔融碱性介质。铁、镍及铁基合金在碱性介质中稳定耐蚀,价格低廉。;三、铂;;2-4 阴极材料;二、低碳钢阴极;三、活性氢阴极;①增大电极的比表面,以减少电极的真实电流密度,降低析氢过电位。
如:雷尼镍电极(Ni-Al或Ni-Zn):以电镀法或喷涂法喷涂在铁阴极表面后,以浓KOH溶液将其中的Al或Zn溶解,得到比表面很高的多孔Ni材料。
②提高电极的电催化活性,研制具有更大交换电流密度的阴极材料。
如:为了发挥铂系元素对析氢反应的优良电催化活性,研制了多种含贵金属的阴极材料。;四、氧阴极;四、氧阴极;四、氧阴极;四、氧阴极;四、氧阴极;四、氧阴极;四、氧阴极;2-5 多孔性隔膜;对隔膜材料的基本要求:;一、石棉隔膜
二、合成微孔隔膜;一、石棉隔膜;一、石棉隔膜;一、石棉隔膜;2、氯碱工业用石棉隔膜;2、氯碱工业用石棉隔膜;3、改性隔膜;改性隔膜的优点:
①厚度比普通石棉隔膜减小20~25%,隔膜压降减少100~150mv;
②尺寸稳定,可缩短极距,降低槽压和能耗;
③机械强度提高,不易脱落及损坏,使用寿命大大延长;
④孔率和渗透率稳定。;二、合成微孔隔膜;2、聚氯乙烯软质塑料隔膜
适用于酸性介质,具有孔径小、孔隙率高、电导率较高,耐热性好的优点。
3、聚烯烃树脂微孔隔膜
主要是采用聚乙烯和聚丙烯树脂为原料制成的隔膜。;2-6 离子交换膜;2-6 离子交换膜;高分子母体:膜状高聚物,大都由长链状高分子部分与交联部分形成体型网状结构。
活性基团:由等电荷的阳离子和阴离子组成。
固定离子:与基膜联接、不能离解的离子。
相对离子(反离子):与固定离子平衡的离子。
当膜置于电解质溶液中,会发生电离作用,其中活性离子进入电解质溶液中,而固定离子则保留在基膜上,形成能吸引正离子或负离子的电荷点位;一、离子交换膜的结构; 离子交换膜的微观结构较为复杂,随膜的母体及加工工艺变化。
文献:微观结构、交联结构、接枝结构、缠绕结构
在描述离子膜结构及其与传质关系的各种理论中“离子簇网络结构模型”较为人接受。;一、离子交换膜的结构;一、离子交换膜的结构;二、离子交换膜的分类;2、按交换基团分类;(2)阴离子交换膜:带有碱性离子交换基团的离子交换膜。按其离解度大小,
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