[發(fā)明專利]耗氧電極及其制備工藝

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210384341.4
• 申請(qǐng)日: 2012-09-21
• 公開（公告）號(hào): CN103014754A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J·金特魯普;A·布蘭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 拜耳知識(shí)產(chǎn)權(quán)有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): C25B11/08
• 分類號(hào): C25B11/08
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 趙蘇林;李進(jìn)

本發(fā)明涉及一種耗氧電極，更具體地是用于氯堿電解的耗氧電極，其包括基于銀和細(xì)粒氧化銀的新型催化劑涂層，同時(shí)涉及電解裝置。本發(fā)明進(jìn)一步涉及耗氧電極的制備工藝以及它在氯堿電解或燃料電池技術(shù)中的用途。

本發(fā)明起始于本身已知的耗氧電極，該電極采用氣體擴(kuò)散電極形式，并且通常包括導(dǎo)電載體和包含催化活性組分的氣體擴(kuò)散層。

工業(yè)規(guī)模電解池中耗氧電極的生產(chǎn)和操作的各種方案大體上都是現(xiàn)有技術(shù)中已知的?；舅悸肪褪鞘褂煤难蹼姌O(陰極)替代電解(例如氯堿電解)中的析氫陰極。在Moussallem等人的出版物“Chlor-Alkali?Electrolysis?with?Oxygen?Depolarized?Cathodes：History，Present?Status?and?Future?Prospects”，J.Appl.Electrochem.38(2008)1177-1194中可以找到各種可能的電池設(shè)計(jì)和解決方案的概述。

為了能夠應(yīng)用在工業(yè)電解槽中，耗氧電極-下文也簡稱為OCE-必須滿足一系列要求。例如，在通常80至90℃的溫度下，所使用的催化劑和所有其他材料對(duì)于大約32重量％的氫氧化鈉溶液以及純氧必須是化學(xué)穩(wěn)定的。同樣地，由于該電極在具有面積通常大于2m²的尺寸大小的電解槽(工業(yè)規(guī)模)中安裝和操作，因此還要求高度的機(jī)械穩(wěn)定性。其它性能還包括：高導(dǎo)電性，低層厚度，高內(nèi)表面積和電催化劑的高電化學(xué)活性。同樣，合適的疏水孔隙和親水孔隙以及用于傳導(dǎo)氣體和電解質(zhì)的相應(yīng)孔隙結(jié)構(gòu)也是必需的，正是由于這種不可滲透性(imperyiosity)使得氣體和液體空間保持彼此分離。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用的耗氧電極，還要特別滿足長期穩(wěn)定性和低生產(chǎn)成本的要求。

耗氧電極通常由載體元件，例如多孔金屬板或金屬絲網(wǎng)，和電化學(xué)活性涂層組成。電化學(xué)活性涂層是微孔的，并且由親水成分和疏水成分構(gòu)成。疏水成分使電解質(zhì)難以滲透，從而使相應(yīng)的孔隙保持通暢以用于將氧輸送到催化活性位點(diǎn)。親水成分使得電解質(zhì)能夠滲透到催化活性位點(diǎn)，同時(shí)使得氫氧根離子能夠輸送走。所用疏水成分通常是氟化聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)，其還可以充當(dāng)催化劑的聚合物粘合劑。對(duì)于采用銀催化劑的電極，銀充當(dāng)親水成分。對(duì)于碳擔(dān)載的催化劑的情形，所用載體是具有親水孔隙的碳，液體可經(jīng)由該孔隙輸送。

氧在氣相、液相和固體催化劑相接觸的三相區(qū)中還原。

氣體經(jīng)由疏水基體中的孔隙輸送。親水孔隙充滿液體；水經(jīng)由這些孔隙輸送至催化位點(diǎn)，而氫氧根離子經(jīng)由這些孔隙輸送走。由于氧僅有限度地溶于水相中，因此為了輸送氧必須有足夠多的無水孔隙可供使用。

許多化合物已經(jīng)記載可作為氧還原的催化劑。

例如，有報(bào)道使用鈀，釕，金，鎳，過渡金屬氧化物和過渡金屬硫化物，金屬卟啉和金屬酞菁，以及鈣鈦礦作為耗氧電極的催化劑。

然而，只有鉑和銀在堿溶液中作為氧還原催化劑具有現(xiàn)實(shí)意義。

鉑對(duì)于氧還原具有非常高的催化活性，由于鉑成本高，因此僅以擔(dān)載的形式使用。已知且確認(rèn)的載體材料是碳。碳將電流傳導(dǎo)至鉑催化劑上。通過碳表面的氧化，可以使碳顆粒中的孔隙親水化，從而變得適合于輸送水。然而，碳擔(dān)載的鉑電極在長期運(yùn)行中穩(wěn)定性不足，這可能是由于鉑也會(huì)催化載體材料的氧化。載體材料的氧化導(dǎo)致電極的機(jī)械穩(wěn)定性降低。

銀對(duì)于氧還原同樣具有高催化活性。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，銀也可以碳作為載體來使用，并且也可以細(xì)粒的金屬銀形式使用。

包含碳擔(dān)載的銀的OCEs通常具有20-50g/m²的銀濃度。盡管從根本上講，碳擔(dān)載的銀催化劑比相應(yīng)的鉑催化劑更耐用一些，但是它在氯堿電解條件下的長期穩(wěn)定性仍然有限。

本發(fā)明的目的是提供耗氧電極(OCE)，更具體地是用于氯堿電解并且其中使用了氧化銀的耗氧電極，當(dāng)這種OCEs用在氯堿電解中時(shí)使得能采用更低的工作電壓，并且該OCEs的制備工藝克服了上文所述的現(xiàn)有技術(shù)中已知的OCEs的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的實(shí)施方式是制備耗氧電極的工藝，其包括下列步驟：

a)通過向初始進(jìn)料的堿性溶液中計(jì)量加入銀鹽溶液并隨后攪拌懸浮液至多10分鐘來沉淀氧化銀，在此過程中懸浮液的溫度維持在10℃至50℃范圍內(nèi)，

b)從步驟a)的懸浮液中分離沉淀的氧化銀，

c)在80℃至200℃的溫度下干燥該氧化銀，任選地在減壓條件下進(jìn)行，

d)用導(dǎo)電載體材料、包含銀顆粒的催化劑，和細(xì)粒的氟化聚合物對(duì)所得氧化銀進(jìn)行進(jìn)一步加工，得到平板狀的耗氧電極。