一种气体扩散电极及其制备方法技术

提供了一种气体扩散电极及其制备方法，所述的气体扩散电极包括电流收集体1、气体扩散层2、涂覆于气体扩散层上的气体催化层3以及位于气体催化层上的液相导流层4。所述气体扩散层包括高石墨化度炭黑、聚四氟乙烯；气体催化层包括催化剂、酸化的高石墨化度炭黑、聚四氟乙烯；所述的高石墨化度炭黑的拉曼光谱Id/Ic峰强度比值在0.3-1.0之间，气体扩散层和气体催化层石墨化程度可以相同，也可以不相同。该气体扩散电极在碱液中耐蚀性好、电化学性能优异且稳定，适用于氯碱工业中的电解反应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种气体扩散电极及其制备方法
本申请属于化工领域，具体而言，涉及一种适用于氯碱工业中的气体扩散电极及其制备方法。
技术介绍
氯碱工业是基础的化学工业，对推动国民经济发展发挥着重要的作用。同时，氯碱工业是属于高能耗的产业，最大限度地降低氯碱工业的能耗一直都是各国关注的课题。近年来，以氧气阴极替代析氢阴极的离子膜食盐电解法逐步得到重视，其实质是以氧气还原反应替代析氢反应。传统的以析氢电极作为阴极的离子膜制碱法的反应式为：2Cl-→Cl2+2e（1.36V）2H2O+2e→2OH-+H2（-0.83V）2NaCl+2H2O→Cl2+2NaOH+H2（2.19V）而以采用氧气阴极的离子膜制碱法其电化学反应式为：2Cl-→Cl2+2e（1.36V）O2+2H2O+4e→4OH-（0.4V）2NaCl+H2O+1/2O2→Cl2+2NaOH（0.96V）可见以氧气阴极替代析氢阴极后的离子膜制碱法，其理论分解电压能够降低1.23V，理论节能能够达到40%，电解吨碱能够节省700KWh的电能，具有非常可观的应用价值。而气体扩散电极起初源于燃料电池以及锌空电池的发展，应用在氯碱工业的研究相对较少，主要是由于有以下几方面的难点：1）氯碱工业实际电解工况条件比较苛刻，通常在30%以上的碱浓度和80-90℃的温度下运行，对电极的材料以及电极的制备要求较高；2）氧气阴极在电化学反应过程中，由于受催化剂电催化机制的影响，会存在一定程度二电子的副反应，产生一定量的HO2-，其存在对碳材料有一定的刻蚀能力，这对电极的结构、寿命及电化学性能带来负面影响；3）氧气阴极的电化学反应过程实际上是气液固多相催化反应的过程，气液固三相反应平衡难于控制，因而会影响氧气阴极电催化效率。4）氧气阴极的机械强度低，安装难度大，难以满足大规模工业化生产的需要；5）氧气阴极的浆料分散过程以及成膜过程复杂，而且，对干燥要求较高，难以获得表面状态良好且无裂纹的电极。目前，围绕以上难点，各国科研工作者进行了大量的工作，其中，日本专利特開2007-327092中采用AB-6炭黑作为疏水性炭黑，以AB-12炭黑作为亲水性炭黑，以银粉作为催化剂进行了气体扩散电极的制备，得到了耐水压能力强，劣化速率慢的气体扩散电极；日本专利特開2004-300451采用AB-6炭黑作为疏水性炭黑，以镀银的金属网作为催化剂层，通过对疏水性炭黑与粘合剂的分散、过滤、干燥步骤后，将镀银的金属网进行热压成型制备了性能稳定的气体扩散电极，但该电极很难满足工业化生产大电极的要求；专利CN101736360A中公开了以镀银镍网作为支撑体，将镀银镍网置于气体扩散层以及催化层之间结构的气体扩散电极，但该电极存在自身的机械强度弱，在生产过程中电极表面容易产生裂纹以及在热压阶段难于脱模等问题，也难以实现工业化生产的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术的问题，提供一种简易高效的适用于氯碱工业中的气体扩散电极及其制备方法。为了实现本专利技术的目的，采用如下技术方案：本专利技术一方面涉及一种气体扩散电极，包括电流收集体、气体扩散层、涂覆于气体扩散层之上的气体催化层以及位于气体催化层上的液相导流层；其特征在于气体扩散层包括高石墨化度炭黑、聚四氟乙烯；气体催化层包括催化剂、酸化的高石墨化度炭黑、聚四氟乙烯；所述的高石墨化度炭黑是拉曼光谱的ID/IG峰强度比值在0.3～1.0之间的炭黑，气体扩散层和气体催化层的石墨化程度可以相同，也可以不相同；电流收集体和液相导流层均为镀银泡沫金属，所述镀银泡沫镍金属银镀层的厚度在0.1～20μm；镀银泡沫金属可以相同也可以不相同。在本专利技术的一个优选实施方式中，其特征在于气体扩散层中高石墨化度炭黑、聚四氟乙烯的质量比(0.01～1):(0.01～0.1)。在本专利技术的一个优选实施方式中，其特征在于气体催化层中催化剂、酸化的高石墨化度炭黑、聚四氟乙烯质量比为（0.1～1）：（0.1～1）：（0.1～1）。在本专利技术的一个优选实施方式中，其特征在于镀银泡沫金属选自镀银的泡沫镍、钛、钨、钴或其合金。在本专利技术的一个优选实施方式中，其特征在于气体催化层中的催化剂选自银粉或银/碳复合催化剂，优选的，催化剂的粒径介于0.01～5μm之间。在本专利技术的一个优选实施方式中，其特征在于所述的扩散电极是应用于氯碱工业的气体扩散电极。在本专利技术的一个优选实施方式中，其特征在于气体扩散电极制备过程中气体扩散层由包含高石墨化度炭黑、水、曲拉通、聚四氟乙烯乳液、异丙醇的原料所制成，其中以曲拉通的异丙醇水溶液为分散介质，上述原料的质量比为：(0.01～1):(0.1～1):(0.01～0.1):(0.01～0.1):1。本专利技术的一个优选实施方式中，其特征在于在气体扩散电极制备过程中所述的气体催化层由包含催化剂、酸化的高石墨化度炭黑、水、曲拉通、聚四氟乙烯溶液、异丙醇的原料所制成，其中以曲拉通的水溶液为分散介质，上述原料的质量比为：（0.1～1）：（0.1～1）：（1～10）：（0.1～1）：（0.1～1）：1。在本专利技术所述的气体扩散电极的制备方法的一个优选实施方式中，其特征在于气体扩散层的制备方法包括如下步骤：（1）将高石墨化度炭黑分散在含有表面活性剂曲拉通的异丙醇水溶液中，得到气体扩散层浆料，将此浆料超声剪切分散10～200min，然后加入质量分数为40～80%的聚四氟乙烯乳液，继续进行剪切分散10～150min；气体扩散层浆料分散过程的温度控制在10～100℃之间；气体扩散层浆料中的粉体分散后的平均粒度控制在0.2～10μm之间；气体扩散层浆料分散后静置5～100h；气体扩散层的浆料固含量控制在5～40wt%;（2）将气体扩散层浆料均匀涂抹在电流收集体镀银泡沫金属上；气体扩散层的浆料涂抹后，在40～120℃下干燥5～10h；气体扩散层浆料涂抹以及干燥处理后，对其进行初步冷压成型处理，冷压压力0.1～2MPa、温度控制在-10～50℃，保压时间10～300s，得到和电流收集体1和气体扩散层2的组合体。在本专利技术所述气体扩散电极的制备方法的一个优选实施方式中，其特征在于所述的气体催化层的制备方法包括如下步骤：(1)将催化剂、酸化的石墨化炭黑分散在含有表面活性剂曲拉通的异丙醇水溶液中，得到催化层浆料，将此浆料超声剪切分散10～200min，然后加入质量分数为40～80%的聚四氟乙烯乳液，继续进行剪切分散10～150min；催化层浆料分散过程的温度控制在10～100℃之间；催化层浆料中的粉体分散后的平均粒度控制在0.2～10μm之间；（2）将催化层浆料均匀涂抹在电流收集体和气体扩散层组合体的气体扩散层上；催化层的浆料涂抹结束后，在40～120℃下干燥0.5～1h；催化层浆料涂抹以及干燥处理后，对组合体进行二次冷压成型处理，冷压压力0.1～2MPa，温度控制在-10～50℃，保压时间10～300s，得到初步成形的气体扩散电极；将初步成形的气体扩散电极进行高温烘烤，烘烤温度控制在270～290℃，烘烤时间1～20h；将液相导流层镀银泡沫金属置于烘烤后初步成形的气体扩散电极上进行热压成形，热压压力控制在2～12MPa，热压温度330～450℃，保压时间10～300s，得到所述的气体扩散电极。在上述气体扩散电极的制备方法的本文档来自技高网...

【技术保护点】
PCT国内申请，权利要求书已公开。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种气体扩散电极的制备方法，所述的气体扩散电极包括电流收集体、气体扩散层、涂覆于气体扩散层之上的气体催化层以及位于气体催化层上的液相导流层；其特征在于气体扩散层包括高石墨化度炭黑、聚四氟乙烯；气体催化层包括催化剂、酸化的高石墨化度炭黑、聚四氟乙烯；所述的高石墨化度炭黑是拉曼光谱的ID/IG峰强度比值在0.3～1.0之间的炭黑，酸化的高石墨化度炭黑表面含氧官能团浓度为0.5～2mmol/g，气体扩散层和气体催化层的石墨化程度可以相同，也可以不相同；电流收集体和液相导流层均为镀银泡沫金属，所述镀银泡沫金属银镀层的厚度在0.1～20μm；镀银泡沫金属可以相同也可以不相同；所述的气体扩散层由包含高石墨化度炭黑、水、曲拉通、聚四氟乙烯乳液、异丙醇的原料所制成，其中以曲拉通的异丙醇水溶液为分散介质，上述原料的质量比为：(0.01～1):(0.1～1):(0.01～0.1):(0.01～0.1):1；所述的气体扩散层的制备方法包括如下步骤：（1）将高石墨化度炭黑分散在含有表面活性剂曲拉通的异丙醇水溶液中，得到气体扩散层浆料，将此浆料超声剪切分散10～200min，然后加入质量分数为40～80%的聚四氟乙烯乳液，继续进行剪切分散10～150min；气体扩散层浆料分散过程的温度控制在10～100℃之间；气体扩散层浆料中的粉体分散后的平均粒度控制在0.2～10μm之间；气体扩散层浆料分散后静置5～100h；气体扩散层的浆料固含量控制在5～40wt%;（2）将气体扩散层浆料均匀涂抹在电流收集体镀银泡沫金属上；气体扩散层的浆料涂抹后，在40～120℃下干燥5～10h；气体扩散层浆料涂抹以及干燥处理后，对其进行初步冷压成型处理，冷压压力0.1～2MPa、温度控制在-10～50℃，保压时间10～300s，得到电流收集体和气体扩散层的组合体。2.根据权利要求1所述的气体扩散电极的制备方法，其特征在于气体扩散层中高石墨化度炭黑、聚四氟乙烯的质量比为(0.01～1):(0.01～1)。3.根据权利要求1所述的气体扩散电极的制备方法，其特征在于气体催化层中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，曹寅亮，刘景军，李志林，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11