[发明专利]一种基于核壳结构的钌铱系钛基金属氧化物电极材料、其制备方法及应用

说明书

本发明提供一种基于核壳结构的钌铱系钛基金属氧化物电极材料、其制备方法及应用，属于电化学技术领域。本发明涉及的新型电极材料具有核壳结构，氧化铱活性组元通过化学键作用力将氧化钌活性组元包覆起来形成纳米尺度的有序组装架构，调节氧化铱稳定性和氧化钌催化活性达到优势互补，避免了传统阳极涂层中钌活性组元选择性溶解脱落的缺陷，显著改善了低温条件下电极的稳定性，使用寿命大大延长。另外，该电极结构具有更多的电化学活性点数量，更大的电化学活性表面积，低温条件下析氯电流效率有所提高，尤其适用于低温海水析氯环境下电解海水防污、电解生产次氯酸钠及船舶压载水处理等。

技术领域

本发明涉及一种基于核壳结构的钌铱系钛基金属氧化物电极材料，该电极可用于电解海水防海生物污损装置、船舶压载水处理装置及次氯酸钠电解生产装置等，属电化学技术领域。

背景技术

电解海水防污技术是利用析氯活性阳极电解海水产生有效氯，有效氯可以击晕或杀死海生物及海生物的孢子和幼虫，从而达到防止海生物生长繁殖、附着的目的。电解海水防污技术具有安全可靠、管理方便、防污效果好、对环境无污染、较为经济等优点，广泛应用于滨海电厂的海水管路防污系统、船舶压载水处理系统等领域。在电解海水防污系统中，阳极是核心组成部件，它的使用性能和寿命直接决定防污效果。电解海水防污用阳极应具有高反应选择性，高电流效率，可在较高电流密度和较宽温度范围内高效、稳定的工作。钛基金属氧化物阳极是一种尺寸稳定型阳极，由钛基体上涂覆一层贵金属氧化物涂层构成，其本身具有耐腐蚀性好、消耗率低、电化学活性高、价格低廉等优点被广泛应用。目前电解海水防污工程中主要采用RuO₂-SnO₂、RuO₂-TiO₂等钌系金属氧化物阳极。

随着北极油气资源开发的不断深入和未来北冰洋航线的畅通，未来我国将大力发展极地船舶等海洋装备。极地气候环境极端恶劣，长年低温多冰。北极地区冬季时间长，温度在-43～-26℃之间，平均气温为-34℃，平均海水温度仅为0℃左右。另外，海水含氧量高，尤其是表层海水的溶解氧浓度远高于热带海域，苛刻服役工况对电解防污技术提出了更高的要求。在实际工程中发现，当海水温度低于10℃时，目前常用的钌系金属氧化物阳极电流效率急剧下降，电解槽槽压显著升高，同时对阳极造成不可恢复的破坏，使用寿命明显缩短，不能满足使用要求。文献【张胜健，海水温度对金属氧化物阳极强化电解失效行为影响，稀有金属材料与工程，2013,42(12)：2613-2617】分析了低温条件下RuO₂-IrO₂-SnO₂阳极的强化电解失效行为及机理，电解海水过程中阳极析氯电位升高，析氯析氧反应选择性降低，易发生析氧副反应，破坏了氧化物涂层的固溶体结构，因此阳极失效主要是由于Ru活性组元的选择性溶解和涂层局部剥落导致。公开号为CN104005047B的中国专利发明了一种新型的电解低温海水防污用混合金属氧化物电极，包括电极基体和PtOx-SnO₂-Co₃O₄多元混合贵金属氧化物涂层，该电极在低温海水条件下具有较好的析氯电流效率，较低的析氯电位，增强了电极的析氯析氧反应选择性，使用寿命有所延长，但涂层成分中Pt含量在50％以上，成本较高，不利于大规模推广应用。为了兼顾提高电解海水防污系统的广谱性和防污效果，要求金属氧化物阳极在低温海水条件下应当具有良好的应用性能，且性价比高，制备工艺简单。

发明内容

本发明的技术任务是针对上述现有电解低温海水防污用阳极存在的不足，寻求设计制备一种低成本、高性能的电解海水防污用金属氧化物电极。该电极基于核壳结构，通过氧化铱(IrO₂)有效包覆氧化钌(RuO₂)纳米材料，避免传统阳极涂层中钌活性组元选择性溶解脱落的缺陷，综合利用氧化钌高催化活性和氧化铱高稳定性的特点，在保证电极具有较好析氯电流效率的基础之上，显著改善电极的稳定性，使用寿命明显延长，有利于提高低温条件下的电解海水防污效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：