电解电极及其制造方法和在水净化系统中的使用方法技术方案

公开了用于电解的异质结阳极。该阳极具有第一导电金属氧化物(FCMO)层、接触FCMO层的第二半导体层以及一个或更多个第三半导体的岛，所述一个或更多个第三半导体的岛接触第二半导体层。FCMO层可以在金属基底例如钛上形成。FCMO层可以包括铱，第二半导体层可以包括二氧化钛，并且第三半导体可以包括二氧化锡。可以使用喷雾热解以施加每种半导体材料来制造阳极。阳极可以被配置成使得当被放置在电解质中时，第二半导体层的至少一部分和岛与电解质直接物理接触。第二半导体中间层和第三半导体岛提高氯化的水中的反应性氯的产生。还公开了使用该阳极的水处理系统和方法。

Electrolytic electrode and its manufacturing method and its application in water purification system

Heterojunction anodes for electrolysis are disclosed. The anode has a first conductive metal oxide (FCMO) layer, a second semiconductor layer contacting the FCMO layer and an island of one or more third semiconductors, the island of one or more third semiconductors contacting the second semiconductor layer. FCMO layers can be formed on metal substrates such as titanium. The FCMO layer may include iridium, the second semiconductor layer may include titanium dioxide, and the third semiconductor may include tin dioxide. Spray pyrolysis can be used to produce each semiconductor material to make the anode. The anode can be configured so that when placed in an electrolyte, at least part of the second semiconductor layer and the island physically contact the electrolyte directly. The second semiconductor intermediate layer and the third semiconductor island increase the production of reactive chlorine in chlorinated water. A water treatment system and method using the anode are also disclosed.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电解电极及其制造方法和在水净化系统中的使用方法相关申请的交叉引用本申请要求于2016年8月26日提交的美国临时申请序列号62/380,150的权益，该美国临时专利申请通过引用以其整体并入本文。
本专利技术总体上涉及电解，并且更具体地，涉及用于水处理电解和氯-碱工业(chlor-alkaliindustry)的电极。背景系统正被提出用于电解质中的污染物的电化学氧化。这些系统的实例包括采用电解来清洁废水的废水处理系统。这些系统将电压电位施加在各自与废水接触的阳极和阴极之间，以实现有机物质的电化学氧化。这些系统中的阳极通常具有接触废水的半导体的层。半导体通常包括一种或更多种在系统的操作期间溶解到废水中的组分。半导体组件的溶解降低了阳极的使用寿命。另外，某些阳极净化水的能力取决于阳极在水中产生反应性氯物质(ReactiveChlorineSpecies)(RCS)的能力。然而，已知的阳极典型地以太低以致于对于某些废水处理应用不是合意的电流效率(currentefficiency)产生反应性氯物质。高效地产生RCS的阳极在氯碱工艺和工业中也是有用的。因此，增加电解阳极(electrolysisanode)的使用寿命及其RCS产生的电流效率的电解阳极的改进是合意的。概述电解阳极具有第一导电金属氧化物层、接触第一导电金属氧化物层的第二半导体层以及一个或更多个第三半导体的岛(island)，所述一个或更多个第三半导体的岛接触第二半导体层。根据阳极的示例性实施方案，第一导电金属氧化物层包括铱，第二半导体层包括二氧化钛，并且第三半导体包括二氧化锡。根据另一个示例性实施方案，电解阳极可以包括钛基底(titaniumbase)、在钛基底上形成的Ir0.7Ta0.3O2层、在Ir0.7Ta0.3O2层上形成的钴掺杂的TiO2层、以及在Co-TiO2层上形成的多个SnO2的岛。可以使用喷雾热解以施加每种半导体材料来制造阳极。阳极可以被用于净化具有有机污染物和氨的水的系统中。阳极可以被配置成使得当被放置在水中时，第二半导体层的至少一部分和岛与水直接物理接触。操作用于水的电解的水处理系统的方法包括使阳极与包含氯离子(chloride)的水接触，以及向阳极施加足以在阳极处产生反应性氯的阳极电位。本公开内容还描述了水净化系统，所述水净化系统包括阳极，所述阳极具有第一导电金属氧化物层和第二半导体层，所述第二半导体层接触第一导电金属氧化物层。第二层被配置成至少部分地与包含氯离子的水直接接触。阳极还包括和一个或更多个第三半导体的岛，所述一个或更多个第三半导体的岛接触第二半导体层。第三半导体岛还被配置成与水直接接触。本公开内容提供了电解阳极，所述电解阳极包括第一导电金属氧化物层；第二半导体层，所述第二半导体层接触第一导电金属氧化物层；以及一个或更多个第三半导体的岛，所述一个或更多个第三半导体的岛接触第二半导体层。在一个实施方案中，第一导电金属氧化物层包括铱。在另外的实施方案中，第一导电金属氧化物层包括Ir0.7Ta0.3O2。在又另外的实施方案中，第一导电金属氧化物层中的Ir0.7Ta0.3O2的质量负载量(massloading)是选自由约0.3mg/cm2和约0.05mg/cm2组成的组的值。在另一个实施方案中，第二半导体层包括TiO2。在另外的实施方案中，第二半导体层包括钴掺杂的二氧化钛。在又一实施方案中，第三半导体是锑掺杂的二氧化锡、或二氧化锡。在另一个实施方案中，阳极还包括金属导体，所述金属导体接触第一导电金属氧化物层。在另外的实施方案中，金属导体是钛。在又另外的实施方案中，第一导电金属氧化物层被配置成克服第二半导体层和金属导体之间的肖特基势垒(Schottkybarrier)。本公开内容还提供了电解阳极，所述电解阳极包括钛基底；Ir0.7Ta0.3O2层，所述Ir0.7Ta0.3O2层在钛基底上形成；Co-TiO2层，所述Co-TiO2层在Ir0.7Ta0.3O2层上形成；以及多个SnO2的岛，所述多个SnO2的岛在Co-TiO2层上形成。在一个实施方案中，Co-TiO2层中的TiO2的质量负载量是约0.5mg/cm2；其中SnO2的岛中的SnO2的质量负载量是约1.0mg/cm2；并且其中Ir0.7Ta0.3O2层的质量负载量是选自由约0.3mg/cm2和约0.05mg/cm2组成的组的值。在另一个实施方案中，SnO2的岛中的每个具有在Co-TiO2层上形成的离散表面区域。本公开内容还提供了水净化系统，所述水净化系统包括：阳极，所述阳极包括第一导电金属氧化物层；第二半导体层，所述第二半导体层接触第一导电金属氧化物层并且被配置成至少部分地与包含氯离子的水直接接触；以及一个或更多个第三半导体的岛，所述一个或更多个第三半导体的岛接触第二半导体层并且被配置成与水直接接触。在一个实施方案中，该系统还包括金属导体，所述金属导体接触第一导电金属氧化物层。在另外的实施方案中，金属导体是钛。在又一个实施方案中，该系统还包括阴极。在另外的实施方案中，阴极是不锈钢。在另一个实施方案中，该系统还包括电流源(currentsource)，所述电流源被连接至阴极和阳极。在又一实施方案中，第一导电金属氧化物层包括铱。在另外的实施方案中，第一导电金属氧化物层包括Ir0.7Ta0.3O2。在又一实施方案中，第二半导体层包括TiO2。在另外的实施方案中，第二半导体层包括钴掺杂的二氧化钛。在还另一个实施方案中，第三半导体是二氧化锡或锑掺杂的二氧化锡。在又一实施方案中，该系统还包括用于容纳水、阳极和阴极的电解槽(electrolysistank)。本公开内容还提供了操作水净化系统的方法，所述方法包括使阳极与包含氯离子的水接触；以及向阳极施加足以在阳极处生成反应性氯的阳极电位，所述阳极包括：第一导电金属氧化物层；第二半导体层，所述第二半导体层接触第一导电金属氧化物层并且被配置成至少部分地与水直接接触；以及一个或更多个第三半导体的岛，所述一个或更多个第三半导体的岛接触第二半导体层并且被配置成与水直接接触。在一个实施方案中，第一导电金属氧化物层包括Ir0.7Ta0.3O2。在另一个实施方案中，第二半导体层包括钴掺杂的二氧化钛。在还另一个实施方案中，第三半导体是锑掺杂的二氧化锡、或二氧化锡。本公开内容还提供了制造用于水处理的电解阳极的方法，所述方法包括将金属电极加热至第一预先确定的温度；通过使用喷雾热解将第一含水金属氧化物前体施加到加热的金属电极上，将第一导电金属氧化物层沉积在加热的金属电极上；通过使用喷雾热解将第二含水金属氧化物前体施加到第一导电金属氧化物层上，将第二半导体层沉积在第一导电金属氧化物层上；以及通过使用喷雾热解将第三含水金属氧化物前体施加到第二半导体层上，将第三半导体沉积在第二半导体层上。在一个实施方案中，第一含水金属氧化物前体包括溶解在异丙醇中的3.5mMIrCl3和1.5mMTaCl5的溶液。在另一个或另外的实施方案中，第二含水金属氧化物前体包括通过羟基-过氧化方法(hydroxo-peroxomethod)制备的25mM钛-乙醇酸盐络合物和0.1的摩尔分数的掺杂剂前体Co(NO3)2的溶液。在还另一个或另外的实施方案中，第三含水金属氧化物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电解阳极，包括：第一导电金属氧化物层；第二半导体层，所述第二半导体层接触所述第一导电金属氧化物层；以及一个或更多个第三半导体的岛，所述一个或更多个第三半导体的岛接触所述第二半导体层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.26 US 62/380,1501.一种电解阳极，包括：第一导电金属氧化物层；第二半导体层，所述第二半导体层接触所述第一导电金属氧化物层；以及一个或更多个第三半导体的岛，所述一个或更多个第三半导体的岛接触所述第二半导体层。2.如权利要求1所述的阳极，其中所述第一导电金属氧化物层包括铱。3.如权利要求2所述的阳极，其中所述第一导电金属氧化物层包括Ir0.7Ta0.3O2。4.如权利要求3所述的阳极，其中所述第一导电金属氧化物层中的Ir0.7Ta0.3O2的质量负载量是选自由约0.3mg/cm2和约0.05mg/cm2组成的组的值。5.如权利要求1所述的阳极，其中所述第二半导体层包括TiO2。6.如权利要求5所述的阳极，其中所述第二半导体层包括钴掺杂的二氧化钛。7.如权利要求1所述的阳极，其中所述第三半导体是锑掺杂的二氧化锡、或二氧化锡。8.如权利要求1所述的阳极，还包括：金属导体，所述金属导体接触所述第一导电金属氧化物层。9.如权利要求8所述的阳极，其中所述金属导体是钛。10.如权利要求8所述的阳极，其中所述第一导电金属氧化物层被配置成克服所述第二半导体层和所述金属导体之间的肖特基势垒。11.一种电解阳极，包括：钛基底；Ir0.7Ta0.3O2层，所述Ir0.7Ta0.3O2层在所述钛基底上形成；Co-TiO2层，所述Co-TiO2层在所述Ir0.7Ta0.3O2层上形成；以及多个SnO2的岛，所述多个SnO2的岛在所述Co-TiO2层上形成。12.如权利要求11所述的阳极，其中所述Co-TiO2层中的TiO2的质量负载量是约0.5mg/cm2；其中所述SnO2的岛中的SnO2的质量负载量是约1.0mg/cm2；并且其中Ir0.7Ta0.3O2层的质量负载量是选自由约0.3mg/cm2和约0.05mg/cm2组成的组的值。13.如权利要求11所述的阳极，其中所述SnO2的岛中的每个具有在所述Co-TiO2层上形成的离散表面区域。14.一种水净化系统，包括：阳极，所述阳极包括：第一导电金属氧化物层；第二半导体层，所述第二半导体层接触所述第一导电金属氧化物层并且被配置成至少部分地与包含氯离子的水直接接触；以及一个或更多个第三半导体的岛，所述一个或更多个第三半导体的岛接触所述第二半导体层并且被配置成与所述水直接接触。15.如权利要求14所述的系统，还包括：金属导体，所述金属导体接触所述第一导电金属氧化物层。16.如权利要求15所述的系统，其中所述金属导体是钛。17.如权利要求14所述的系统，还包括阴极。18.如权利要求17所述的系统，其中所述阴极是不锈钢。19.如权利要求17所述的系统，还包括电流源，所述电流源被连接至所述阴极和所述阳极。20.如权利要求14所述的系统，其中所述第一导电金属氧化物层包括铱。21.如权利要求20所述的系统，其中所述第一导电金属氧化物层包括Ir0.7Ta0.3O2。22.如权利要求14所述的系统，其中所述第二半导体层包括T...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·R·霍夫曼，杨阳，
申请(专利权)人：加州理工学院，
类型：发明
国别省市：美国,US