[發(fā)明專利]含有碳納米管的耗氧電極及其制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201580048831.9
• 申請(qǐng)日: 2015-08-28
• 公開（公告）號(hào): CN106605012B
• 公開（公告）日: 2020-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: A.布蘭;J.金特魯普
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 科思創(chuàng)德國股份有限公司
• 主分類號(hào): C25B11/03
• 分類號(hào): C25B11/03;C25B1/46;B01J21/18;H01M4/86;H01M4/88;H01M4/96;H01M8/02;H01M8/08;H01M12/06
• 代理公司: 72001 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 劉維升;萬雪松

本發(fā)明涉及一種耗氧電極，特別是用于氯堿電解，其包含基于碳納米管的催化劑涂層，以及涉及一種電解裝置。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種制造所述耗氧電極的方法，及其在氯堿電解或燃料電池技術(shù)中的用途。

本發(fā)明涉及一種耗氧電極，特別是用于氯堿電解，該電極具有新穎的電催化劑涂層，以及涉及一種電解裝置。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種制造耗氧電極的方法，及其在氯堿電解或燃料電池技術(shù)中的用途。

本發(fā)明從耗氧電極出發(fā)，所述耗氧電極本身是已知的且形成為氣體擴(kuò)散電極，并且通常包含導(dǎo)電性載體和具有催化活性組分的氣體擴(kuò)散層。

耗氧電極是一種氣體擴(kuò)散電極的形式。氣體擴(kuò)散電極為這樣的電極，其中物質(zhì)三態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)彼此接觸，并且固態(tài)電子傳導(dǎo)催化劑催化液相和氣相之間的電化學(xué)反應(yīng)。這里，固態(tài)電催化劑通常包含于厚度為約200 μm至500 μm的多孔薄膜中。

對(duì)于在工業(yè)規(guī)模電解槽中操作耗氧電極的各種建議原則上是現(xiàn)有技術(shù)已知的。基本思想是通過耗氧電極(陰極)替代電解(例如在氯堿電解中)的析氫陰極。可能的槽設(shè)計(jì)和解決方案的綜述可以在Moussallem等人的公開出版物“Chlor-Alkali Electrolysis withOxygen Depolarized Cathodes：History，Present Status and Future Prospects”，J.Appl. Electrochem. 38 (2008) 1177-1194中找到。

耗氧電極，以下也簡稱為SVE，必須滿足一系列基本需求，以便可用于工業(yè)電解器。因此，電催化劑和所有其它使用的材料必須對(duì)于使用的堿金屬氫氧化物溶液，例如濃度為約32 wt%的氫氧化鈉溶液化學(xué)穩(wěn)定，以及在通常80-90℃的溫度下對(duì)于純氧化學(xué)穩(wěn)定。同樣需要高標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械穩(wěn)定性，以便在面積通常大于2 m² (工業(yè)規(guī)模)的電解器中安裝并操作電極。其它性能為：電催化劑的高導(dǎo)電性，高內(nèi)表面積以及高電化學(xué)活性。用于輸送氣體和電解質(zhì)的合適的疏水性和親水性孔隙以及適當(dāng)?shù)目紫督Y(jié)構(gòu)也是必要的，例如密封性，使得例如氣體空間和液體空間在電解器中彼此保持分離。長期穩(wěn)定性和低生產(chǎn)成本是工業(yè)上可用的耗氧電極的其它特殊需求。

SVE技術(shù)在氯堿電解中應(yīng)用的另一個(gè)發(fā)展方向是在SVE上直接放置離子交換膜，該膜將電解槽中的陽極區(qū)與陰極區(qū)分開。這種布局中不存在氫氧化鈉溶液間隙。這種布局在現(xiàn)有技術(shù)中也稱為零間隙布局。這種布局通常也應(yīng)用于燃料電池技術(shù)中。其缺點(diǎn)是必須使形成的氫氧化鈉溶液經(jīng)由SVE輸送至氣體側(cè)，隨后向下流到SVE上。在這里，SVE中的孔隙不能被孔隙中的氫氧化鈉溶液或氫氧化鈉結(jié)晶堵塞。現(xiàn)已證明這里也可能出現(xiàn)極高的氫氧化鈉濃度，因此離子交換膜對(duì)于這些高濃度并非長期穩(wěn)定的(Lipp等人，J. Appl.Electrochem. 35 (2005) 1015-Los Alamos National Laboratory“Peroxide formationduring chlor-alkali electrolysis with carbon-based ODC”)。

必須完全避免使用廉價(jià)碳材料，例如炭黑或石墨作為載體材料，特別是在堿性介質(zhì)中還原氧中，因?yàn)檫@些材料通常促進(jìn)根據(jù)反應(yīng)路徑(I)的反應(yīng)并因此導(dǎo)致電極壽命極大縮短和電流效率損失(O. Ichinose等人“Effect of silver catalyst on the activityand mechanism of a gas diffusion type oxygen cathode for chloralkalielectrolysis”，Journal of Applied Electrochemistry 34：55-59 (2004))。

使用電催化劑，例如其中存在擔(dān)載在炭黑上的銀的催化劑，和60℃至90℃的溫度在堿性介質(zhì)中還原氧的缺點(diǎn)是作為中間體形成的過氧化氫分解炭黑的碳，由此導(dǎo)致電極中形成裂紋以及電極的機(jī)械不穩(wěn)定性和電極變得無法使用，其中“堿性介質(zhì)”表示例如濃縮的，特別是濃度32 wt%的氫氧化鈉溶液。由于這種“碳腐蝕”，擔(dān)載的電極催化劑也變得與載體分離，電催化劑因此變得無法使用。