一種包含三維網(wǎng)絡(luò)金屬骨架的電極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種電極，尤其是一種在電解行業(yè)使用的包含Ξ維網(wǎng)絡(luò)金屬骨架 的電極。
【背景技術(shù)】
[0002] 電極的性能直接影響到電解行業(yè)生產(chǎn)效率的高低、能耗、產(chǎn)品的成本和質(zhì)量，因 此，在電解工業(yè)的發(fā)展過程中，研制性能優(yōu)異的新型電極始終受到各國(guó)研究人員和工程技 術(shù)人員的重視。
[0003] 最初，石墨電極運(yùn)用于電解行業(yè)，鹽水電解要求電極對(duì)氯的析出具有良好的電催 化性能，耐久性好，并具有抑制氧析出的能力。當(dāng)鹽水濃度高時(shí)，石墨電極能充分滿足上述 要求，但也存在如下缺點(diǎn)：電阻大，電能消耗大;隨著電化學(xué)反應(yīng)過程的進(jìn)行，電極損耗量增 大，電極極距發(fā)生變化，造成電解生產(chǎn)不穩(wěn)定，析氯反應(yīng)的活性表面難W穩(wěn)定維持等。為了 克服石墨電極W上缺點(diǎn)，人們發(fā)明了鉛基合金電極用來取代石墨電極。鉛基合金電極具有 價(jià)格便宜，容易成形，表面氧化物即使破損也能自動(dòng)修復(fù)，在電解液中操作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但 其存在下列致命缺點(diǎn)：電極重量大，強(qiáng)度低，在使用中容易發(fā)生變形，造成短路，降低電流效 率;電極導(dǎo)電性能不夠好，電能消耗比較大。
[0004] 二十世紀(jì)60年代，荷蘭人化nri Bernard Beer經(jīng)過多年的努力，找到長(zhǎng)壽命、電化 學(xué)催化性能高、無二次污染的新型陽(yáng)極一鐵基板上涂覆釘氧化物系不溶性陽(yáng)極（簡(jiǎn)稱為 DSA)，并在1968年實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。涂層鐵陽(yáng)極的出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)的石墨，鉛基合金電極存 在的缺點(diǎn)，解決了日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中遇到的許多問題，使電解工業(yè)部口生產(chǎn)面貌大為 改觀。自金屬陽(yáng)極工業(yè)化后，從價(jià)格、機(jī)械加工性能等方面考慮，目前工業(yè)上大都采用金屬 鐵作陽(yáng)極的基體。
[0005] 最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的金屬陽(yáng)極是析氯型金屬陽(yáng)極。如W鐵為基體，Ru化-Ti化為活性 涂層的釘-鐵陽(yáng)極(Ti/Ru化-Ti〇2);或者W鐵為基體，WRu化-Sn〇2為活性涂層的釘-錫陽(yáng)極 (Ti/ Ru化-Sn〇2)nW上陽(yáng)極涂層中，Ru化活性氧化物起電催化作用，Ti〇2和Sn化作為輔助氧 化物，起穩(wěn)定Ru化的作用。
[0006] 然而，DSA陽(yáng)極也存在一些缺點(diǎn)：1)采用高活性配方的涂層在其活性的提高同時(shí)降 低了涂層的工作壽命;2)涂層的析氯活性的提高，往往導(dǎo)致析氧活性也提高，降低了電極的 反應(yīng)選擇性，使產(chǎn)品的質(zhì)量下降；3)涂層的活性組元主要為貴金屬元素，其價(jià)格昂貴，用量 大，使得電極成本過大;4)涂層的骨架主要為鐵、粗等超耐腐蝕的閥金屬作為基體，運(yùn)些金 屬材料價(jià)格與其它常見的金屬相比，價(jià)格要出一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，比如優(yōu)質(zhì)工業(yè)級(jí)鐵板材的 市場(chǎng)價(jià)都要在180元/公斤W上，而不誘鋼、侶材等常見金屬價(jià)格在幾元錢至十幾元錢每公 斤。5)由于氧化物涂層存在大量的空隙和裂紋，使用過程電解液、氧原子容易與基材鐵接 觸，并在鐵表面形成一層純化層，導(dǎo)致陽(yáng)極快速失效。
[0007] 在開發(fā)新型電極方面，導(dǎo)電聚合物的發(fā)現(xiàn)引起了研究工作者的注意。聚合物陽(yáng)極 是在銅忍上包覆導(dǎo)電聚合物而構(gòu)成的連續(xù)性陽(yáng)極，也稱柔性陽(yáng)極或纜形陽(yáng)極。銅忍起導(dǎo)電 的作用，而導(dǎo)電聚合物則參與電化學(xué)反應(yīng)。但導(dǎo)電聚合也存在W下技術(shù)問題：1)由于導(dǎo)電聚 合物電導(dǎo)率低，與其它陽(yáng)極相比，其工作電流密度很低，因此僅能作為陰極保護(hù)用電極，不 能作為電解電極使用，其電流密度一般應(yīng)控制在80mA/m 2 W下。對(duì)與電流密度高達(dá)數(shù)百安乃 至數(shù)千安每平面米的電解工業(yè)，如高速電積鋒，電解銅錐、電鍛，W及電解處理污水領(lǐng)域W 及其它電解領(lǐng)域，導(dǎo)電聚合物電極顯得無能為力；2)導(dǎo)電聚合物活性差，單純W導(dǎo)電聚合物 作為電催化反應(yīng)活性點(diǎn)，容易導(dǎo)致電極的性能不穩(wěn)定，如快速失效，槽壓過高等問題。
[000引專利申請(qǐng)CN 103718254 A公開了一種導(dǎo)電的金屬/塑料雜合物，其包括聚合物材 料的基質(zhì)、由具有第一烙化溫度的金屬制成的并嵌入于所述基質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)和具有高于第一烙 化溫度的第二烙化溫度的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的金屬，其W聚合物為基質(zhì)，金屬為填充物，需要將金屬加 熱至較高溫度W達(dá)到烙化狀態(tài)，消耗能量較高。另外，該導(dǎo)電材料沒有電催化活性，因此不 能作為電解工業(yè)用的電催化陽(yáng)極。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009] 本實(shí)用新型所要解決的問題是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，解決DSA陽(yáng)極和聚合物 陽(yáng)極存在的問題，并利用兩者各自的優(yōu)勢(shì)，提出一種新型的包含Ξ維網(wǎng)絡(luò)金屬骨架的電極。
[0010] Ξ維網(wǎng)絡(luò)金屬骨架有兩方面的作用，一方面作為增強(qiáng)電極導(dǎo)電性能的導(dǎo)電體。導(dǎo) 電聚合物的電阻大，不能作為大電流電解電極，通過預(yù)埋Ξ維網(wǎng)絡(luò)金屬骨架，可解決聚合物 導(dǎo)電性能差的問題。增強(qiáng)導(dǎo)電的原理在于電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后，電荷能夠在最短的 距離內(nèi)將電荷傳遞給金屬骨架，再由導(dǎo)電棒連接電源設(shè)備，因此可極大的降低電極的電阻； 另一方面，電解電極的厚度有限，一般在幾個(gè)毫米厚度W內(nèi)，單純的導(dǎo)電聚合物強(qiáng)度不夠， 易變性，金屬骨架可W起到定型作用，保護(hù)電極。導(dǎo)電材料通過導(dǎo)電聚合物與導(dǎo)電碳混合制 成，通過導(dǎo)電碳來降低導(dǎo)電聚合物的電阻。本實(shí)用新型采用添加有電催化活性的金屬氧化 物作為電催化活性層的主要成分，具有電催化活性的金屬氧化物顆粒鑲嵌在具有導(dǎo)電功能 的聚合物中，利用導(dǎo)電碳提高電催化活性層的導(dǎo)電性。在電解過程運(yùn)些金屬氧化物顆粒成 為電解過程的電催化活性中屯、。由于聚合物本身具有超強(qiáng)的耐酸堿腐蝕和耐電化學(xué)腐蝕的 性能，因此能牢牢地將金屬氧化物顆粒穩(wěn)固，加上聚合物具有致密的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠有效阻 止氧原子和電解液的擴(kuò)散，保護(hù)金屬骨架，電極不易純化，因此電極有較長(zhǎng)的使用壽命。
[0011] 具體方案如下：
[0012] -種電極，包括導(dǎo)電棒和基質(zhì)，其特征在于:所述的基質(zhì)由Ξ維網(wǎng)絡(luò)金屬骨架和導(dǎo) 電材料組成，Ξ維網(wǎng)絡(luò)金屬骨架由金屬網(wǎng)板在保護(hù)性氣氛中焊接而成，導(dǎo)電材料填充于Ξ 維網(wǎng)絡(luò)金屬骨架之中，導(dǎo)電棒嵌在基質(zhì)中，且導(dǎo)電棒兩端延伸出Ξ維網(wǎng)絡(luò)金屬骨架之外。
[0013] 進(jìn)一步的技術(shù)方案是，所述的導(dǎo)電材料含有導(dǎo)電聚合物及其衍生物。
[0014] 進(jìn)一步的技術(shù)方案是，所述的導(dǎo)電材料由導(dǎo)電聚合物和導(dǎo)電碳組成，或者導(dǎo)電聚 合物的衍生物和導(dǎo)電碳組成；
[0015] 任選的，所述的導(dǎo)電碳的質(zhì)量占總重的15-30〇/〇。
[0016] 進(jìn)一步的技術(shù)方案是，所述的導(dǎo)電材料由導(dǎo)電聚合物、導(dǎo)電碳、不導(dǎo)電的聚締控材 料組成，或者導(dǎo)電聚合物的衍生物、導(dǎo)電碳、不導(dǎo)電的聚締控材料組成；
[0017] 任選的，所述的導(dǎo)電碳的質(zhì)量占總重的10-30%，不導(dǎo)電聚締控占總重的20-40%。
[0018] 進(jìn)一步的技術(shù)方案是，所述的導(dǎo)電聚合物為聚乙烘、聚嚷吩、聚化咯、聚苯胺、聚苯 撐、聚苯撐乙締、聚雙烘及其衍生物中的一種或者一種w上；
[0019] 任選的，所述的導(dǎo)電碳包括導(dǎo)電碳黑、石墨、石墨締和乙烘黑中的一種或者一種W 上；
[0020] 任選的，所述的金屬網(wǎng)板為鐵金屬網(wǎng)板；
[0021] 任選的，所述的金屬網(wǎng)板的網(wǎng)孔孔徑大小為1-10毫米；
[0022] 任選的，所述的金屬網(wǎng)板的厚度為0.1-20毫米；
[0023] 任選的，所述的導(dǎo)電棒為鐵材質(zhì)導(dǎo)電棒。
[0024] 進(jìn)一步的技術(shù)方案是，該電極還包括一個(gè)電催化活性層，覆在基質(zhì)的表面。
[0025] 進(jìn)一步的技術(shù)方案是，所述的電催化活性層由聚合物、導(dǎo)電碳和金屬氧化物組成；
[0026] 任選的，所述的電催化活性層中，金屬氧化物占電催化活性層總重的20-30%，導(dǎo)電 碳占電催化活性層總重的15-30%;
[0027] 任選的，所述的金屬氧化物具有電催化活性；
[0028] 任選的，所述的金屬氧化物為氧化銀、氧化釘、氧化鉆、氧化儘中的一種或者一種 社。
[0029] 進(jìn)一步的技術(shù)方案是，所述的電催化活性層厚度為0.1-0.5毫米；
[0030] 任選的，所述的電催化活性層中的導(dǎo)電碳包括導(dǎo)電碳黑、石墨、石墨締和乙烘黑中 的一種或者一種W上。
[0031] 本實(shí)用新型的基質(zhì)由Ξ維網(wǎng)絡(luò)金屬骨架和導(dǎo)電材料組成，導(dǎo)電聚合物或者其衍生 物等為填充物，與專利申請(qǐng)CN 103718254 A所提供的技術(shù)方案有本質(zhì)上的不同，后者是W 金屬為填充物，需要烙化金屬，而金屬的烙點(diǎn)遠(yuǎn)高于導(dǎo)電聚合物烙融的溫度，用于加熱的能 量消耗非常大。本實(shí)用新型使用金屬網(wǎng)板焊接成Ξ維網(wǎng)絡(luò)金屬骨架，整體外形有多種可能， 優(yōu)選金屬為鐵，活性物質(zhì)位于電極表面的電催化活性涂層中，活性物質(zhì)的用量和組成容易 調(diào)整，可W根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π阅芤蠖我獯钆?，整個(gè)電極的運(yùn)用范圍非常廣。
[0032] 有益效果：（1)Ξ維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)金屬骨架可W增強(qiáng)電極的導(dǎo)電性，提高材料的電導(dǎo) 率，因此可極大的降低電極的電阻，克服導(dǎo)電聚合物電阻較高、導(dǎo)電性能差、無法滿足電解 工業(yè)大電流密度應(yīng)用性能要求的技術(shù)問題；（2)Ξ維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)金屬骨架起到定型作用，聚合 物本身具有