[发明专利]耗氧电极及其制备工艺

说明书

本发明涉及一种耗氧电极，更具体地是用于氯碱电解的耗氧电极，其包括基于银和细粒氧化银的新型催化剂涂层，同时涉及电解装置。本发明进一步涉及耗氧电极的制备工艺以及它在氯碱电解或燃料电池技术中的用途。

本发明起始于本身已知的耗氧电极，该电极采用气体扩散电极形式，并且通常包括导电载体和包含催化活性组分的气体扩散层。

工业规模电解池中耗氧电极的生产和操作的各种方案大体上都是现有技术中已知的。基本思路就是使用耗氧电极(阴极)替代电解(例如氯碱电解)中的析氢阴极。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中可以找到各种可能的电池设计和解决方案的概述。

为了能够应用在工业电解槽中，耗氧电极-下文也简称为OCE-必须满足一系列要求。例如，在通常80至90℃的温度下，所使用的催化剂和所有其他材料对于大约32重量％的氢氧化钠溶液以及纯氧必须是化学稳定的。同样地，由于该电极在具有面积通常大于2m²的尺寸大小的电解槽(工业规模)中安装和操作，因此还要求高度的机械稳定性。其它性能还包括：高导电性，低层厚度，高内表面积和电催化剂的高电化学活性。同样，合适的疏水孔隙和亲水孔隙以及用于传导气体和电解质的相应孔隙结构也是必需的，正是由于这种不可渗透性(imperyiosity)使得气体和液体空间保持彼此分离。对于工业应用的耗氧电极，还要特别满足长期稳定性和低生产成本的要求。

耗氧电极通常由载体元件，例如多孔金属板或金属丝网，和电化学活性涂层组成。电化学活性涂层是微孔的，并且由亲水成分和疏水成分构成。疏水成分使电解质难以渗透，从而使相应的孔隙保持通畅以用于将氧输送到催化活性位点。亲水成分使得电解质能够渗透到催化活性位点，同时使得氢氧根离子能够输送走。所用疏水成分通常是氟化聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)，其还可以充当催化剂的聚合物粘合剂。对于采用银催化剂的电极，银充当亲水成分。对于碳担载的催化剂的情形，所用载体是具有亲水孔隙的碳，液体可经由该孔隙输送。

氧在气相、液相和固体催化剂相接触的三相区中还原。

气体经由疏水基体中的孔隙输送。亲水孔隙充满液体；水经由这些孔隙输送至催化位点，而氢氧根离子经由这些孔隙输送走。由于氧仅有限度地溶于水相中，因此为了输送氧必须有足够多的无水孔隙可供使用。

许多化合物已经记载可作为氧还原的催化剂。

例如，有报道使用钯，钌，金，镍，过渡金属氧化物和过渡金属硫化物，金属卟啉和金属酞菁，以及钙钛矿作为耗氧电极的催化剂。

然而，只有铂和银在碱溶液中作为氧还原催化剂具有现实意义。

铂对于氧还原具有非常高的催化活性，由于铂成本高，因此仅以担载的形式使用。已知且确认的载体材料是碳。碳将电流传导至铂催化剂上。通过碳表面的氧化，可以使碳颗粒中的孔隙亲水化，从而变得适合于输送水。然而，碳担载的铂电极在长期运行中稳定性不足，这可能是由于铂也会催化载体材料的氧化。载体材料的氧化导致电极的机械稳定性降低。

银对于氧还原同样具有高催化活性。

根据现有技术，银也可以碳作为载体来使用，并且也可以细粒的金属银形式使用。

包含碳担载的银的OCEs通常具有20-50g/m²的银浓度。尽管从根本上讲，碳担载的银催化剂比相应的铂催化剂更耐用一些，但是它在氯碱电解条件下的长期稳定性仍然有限。

本发明的目的是提供耗氧电极(OCE)，更具体地是用于氯碱电解并且其中使用了氧化银的耗氧电极，当这种OCEs用在氯碱电解中时使得能采用更低的工作电压，并且该OCEs的制备工艺克服了上文所述的现有技术中已知的OCEs的缺点。

发明内容

本发明的实施方式是制备耗氧电极的工艺，其包括下列步骤：

a)通过向初始进料的碱性溶液中计量加入银盐溶液并随后搅拌悬浮液至多10分钟来沉淀氧化银，在此过程中悬浮液的温度维持在10℃至50℃范围内，

b)从步骤a)的悬浮液中分离沉淀的氧化银，

c)在80℃至200℃的温度下干燥该氧化银，任选地在减压条件下进行，

d)用导电载体材料、包含银颗粒的催化剂，和细粒的氟化聚合物对所得氧化银进行进一步加工，得到平板状的耗氧电极。