一种镍基金属氧化物陶瓷惰性阳极、制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及陶瓷‑金属复合材料技术领域，提供了一种金属镍氧化物陶瓷材料惰性阳极，具有金属相和陶瓷相，金属相由主成分Ni和Cu、Co、Zn、Cr、Ag、Fe、Al、V等元素中选取1~2种组成，氧化物相由CaO及TiO2相组成；惰性阳极经氧化物和金属粉的普通球磨，压制成形和保护气氛烧结与加工等步骤制成。本发明专利技术具有导电性好，抗高温氧化性强、抗熔盐化学腐蚀及电化学腐蚀性强、抗热冲击性能好，价格相对低廉的优点。本发明专利技术的惰性阳极用于氯化物熔盐体系中的电解工艺，可作为碳素阳极的替代物，解决其高消耗高CO2排放的问题。

Nickel based metal oxide ceramic inert anode, preparation method and application thereof

The present invention relates to the technical field of ceramic metal composite materials, a metal nickel oxide ceramic inert anode is provided with metal and ceramics, metal phase by the main components of Ni and Cu, Co, Zn, Cr, Ag, Fe, Al, V and other elements in the selection of 1~2 composition, oxide phase by CaO and TiO2 phase; inert anode oxide and metal powder by ordinary milling, pressing and sintering atmosphere and processing steps. The present invention has the advantages of good conductivity, high temperature resistance, strong oxidation resistance, chemical corrosion resistance of molten salt, strong electrochemical corrosion resistance, good thermal shock resistance and relatively low price. The inert anode of the present invention is used as an electrolytic process in a chloride molten salt system and can be used as an alternative to a carbon anode to solve the problem of high consumption and high CO2 emission.

【技术实现步骤摘要】
一种镍基金属氧化物陶瓷惰性阳极、制备方法及应用
本专利技术涉及陶瓷-金属复合材料
，特别涉及一种镍基金属氧化物陶瓷惰性阳极、制备方法及应用。
技术介绍
在含氧化物或碳酸盐的氯化物熔体中电解还原制备金属及碳质材料是近年来的研究热点（G.Z.Chen,etal.Nature,2000(407),361-364;H.Y.Yin,etal.Energy&EnvironmentalScience,2013(6),1538-1545）。目前在氯化物熔盐体系常用的惰性阳极主要有金属和氧化物阳极。金属惰性阳极材料多为金属铂、铱、镍基及铜基金属合金，该类阳极导电性极佳，易于处理和连接，但贵金属材料价格昂贵，在氯化物熔体中不够稳定，腐蚀速度过快；氧化物阳极材料多为二氧化锡，但其长时间使用后电极表面会形成钝化膜。
技术实现思路
本专利技术的目的就是克服现有技术中氯化物熔体中惰性阳极材料昂贵及不稳定的不足，提供一种稳定性强、成本低廉及适用于氯化物熔盐体系中的镍基金属氧化物陶瓷惰性阳极。金属陶瓷阳极综合考虑了金属惰性阳极材料和氧化物阳极材料两者优点与缺点，金属陶瓷阳极的导电性介于金属与氧化物之间，其腐蚀速度取决于所选金属和氧化物的种类。TiO2和CaO具有高熔点、高电化学稳定性和低成本等优点，在氯化物熔体中也表现出极强的耐化学腐蚀性。金属镍在氯化物熔盐体系中表现出较高的溶解电位，将其与TiO2及CaO等氧化物结合所得的陶瓷阳极具开发潜力，这对于研究氯化物或其他熔盐体系中的具有广泛使用价值的惰性阳极具有重要意义。本专利技术一种镍基金属氧化物陶瓷惰性阳极，该阳极具有金属相和氧化物陶瓷相，其中金属相总量为40%-60wt%，氧化物相总量为60-40wt%。进一步的，所述金属相主成分为Ni，为改善耐腐蚀性能，添加额外1~2种金属元素，该1~2种金属元素每种金属元素添加量占所述金属相的10-30wt%，从以下元素中选取：Cu、Co、Zn、Cr、Ag、Fe、Al、V；所述氧化物相由CaO和TiO2组成，其中CaO含量为25.85~58.39wt%，TiO2含量为74.15-41.61wt%。本专利技术还提供了一种镍基金属氧化物陶瓷惰性阳极的制备方法，包括如下步骤：步骤一、将CaO和TiO2按（25.85~58.39wt%）：（74.15-41.61wt%）的比例进行称重、混匀，并在900℃的马弗炉中煅烧4-6小时，对烧结块体后研磨得氧化物相粉末；步骤二、用普通球磨法制取金属氧化物均匀混合粉：称取金属混合粉末，与步骤一所制备的氧化物粉末按（40-60wt%）：（60-40wt%）的比例混合，一同放入球磨机中，进行12小时的干磨；所述金属混合粉末的主成分为Ni，添加额外1~2种金属元素，该1~2种金属元素每种金属元素添加量为10-30wt%，从以下元素中选取：Cu、Co、Zn、Cr、Ag、Fe、Al、V；步骤三、物料压制成形，采用模压法进行单向压制，成形压力为12Mpa，保压时间为1~3分钟，所制块体直径为20mm，高度约为3mm；步骤四、成形坯料的烧结：坯料在高纯氮气保护气氛炉中烧结，烧结温度为1300℃-1400℃，在烧结温度下保持3-5小时；步骤五、对烧结成形的金属氧化物陶瓷惰性阳极作加工，将其与金属导电杆连接。进一步的，步骤一中所述CaO和TiO2均为99.9wt%工业纯度的微米粉末。进一步的，步骤二中所述金属混合粉末中的各金属成分均为不小于99.9wt%工业纯度的微米粉末。进一步的，步骤四中烧结温度为1350℃，在烧结温度下保持4小时。本专利技术还提供了一种上述的镍基金属氧化物陶瓷惰性阳极的应用方法，所述阳极用于氯化物熔盐体系，取代碳素阳极；所述氯化物熔盐体系具体为CaCl2、LiCl、NaCl及KCl熔体中的一种或一种以上的混合熔盐体系，同时还会溶解适量的碱金属氧化物Li2O或CaO。本专利技术的有益效果为：导电性好，抗高温氧化性强、抗熔盐化学腐蚀及电化学腐蚀性强、抗热冲击性能好，价格相对低廉；本专利技术的惰性阳极用于氯化物熔盐体系中的电解工艺，可作为碳素阳极的替代物，解决其高消耗高CO2排放的问题。附图说明图1所示为多元混合金属粉末和氧化物加工成惰性阳极的工艺流程图。图2所示为高温熔盐电解结构示意图。图3所示电解前、后惰性阳极实物图。图中：1-气瓶、2-气体流速控制仪、3-反应电阻炉、4-尾气装置、5-在线气体质谱检测仪。具体实施方式下文将结合具体附图详细描述本专利技术具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。本专利技术实施例一种镍基金属氧化物陶瓷惰性阳极，该阳极具有金属相和氧化物陶瓷相，其中金属相总量为40%-60wt%，氧化物相总量为60-40wt%；金属相使惰性阳极具备足够的导电性，氧化物相提高惰性阳极的耐电化学腐蚀性。所述金属相主成分为Ni，为改善耐腐蚀性能，添加额外1~2种金属元素，该1~2种金属元素每种金属元素添加量占所述金属相的10-30wt%，从以下元素中选取：Cu、Co、Zn、Cr、Ag、Fe、Al、V；所述氧化物相由CaO和TiO2组成，其中CaO含量为25.85~58.39wt%，TiO2含量为74.15-41.61wt%；该CaO和TiO2两组分在熔体中溶解度很低，不仅有利于提高阳极的抗腐蚀性，也有利于提高阴极产品的纯度。本专利技术实施例一种镍基金属氧化物陶瓷惰性阳极的制备方法（制备工艺见图1），包括如下步骤：步骤一、将CaO和TiO2按（25.85~58.39wt%）：（74.15-41.61wt%）的比例进行称重、混匀，并在900℃的马弗炉中煅烧4-6小时，对烧结块体后研磨得氧化物相粉末；步骤二、用普通球磨法制取金属氧化物均匀混合粉：称取前述金属混合粉末，与步骤一所制备的氧化物粉末按（40-60wt%）：（60-40wt%）的比例混合，一同放入球磨机中，进行12小时的干磨；普通球磨不仅具有混合和研磨两种作用，经过12小时以上球磨的金属和氧化物混合粉，不仅起到进一步磨细混匀的作用，而且也促成金属粉与氧化物粉的互相结合，部分高硬度的氧化物粉末，在机械力的作用下嵌入较粗粒且塑性较好的金属粉末颗粒中，防止了金属粉与氧化物粉的偏析，强制性地改善了金属与氧化物之间的润湿性；步骤三、物料压制成形，采用模压法进行单向压制，成形压力为12Mpa，保压时间为1~3分钟，所制块体直径为20mm，高度约为3mm；步骤四、成形坯料的烧结：坯料在高纯氮气保护气氛炉中烧结，烧结温度为1300℃-1400℃，优选为1350℃，在烧结温度下保持3-5小时，优选为4小时；步骤五、对烧结成形的金属氧化物陶瓷惰性阳极作加工，将其与金属导电杆连接。步骤一中所述CaO和TiO2均为99.9wt%工业纯度的微米粉末。步骤二中所述金属混合粉末中的各金属成分均为99.9wt%工业纯度的微米粉末。本专利技术实施例一种镍基金属氧化物陶瓷惰性阳极的应用方法，所述阳极用于氯化物熔盐体系，取代碳素阳极；所述氯化物熔盐体系具体为CaCl2、LiCl、NaCl及KCl熔体中的一种或一种以上的混合熔盐体系，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镍基金属氧化物陶瓷惰性阳极，其特征在于，该阳极具有金属相和氧化物陶瓷相，其中金属相总量为40%‑60 wt%，氧化物相总量为60‑40 wt%。

【技术特征摘要】
1.一种镍基金属氧化物陶瓷惰性阳极，其特征在于，该阳极具有金属相和氧化物陶瓷相，其中金属相总量为40%-60wt%，氧化物相总量为60-40wt%。2.如权利要求1所述的镍基金属氧化物陶瓷惰性阳极，其特征在于，所述金属相主成分为Ni，为改善耐腐蚀性能，添加额外1~2种金属元素，该1~2种金属元素每种金属元素添加量占所述金属相的10-30wt%，从以下元素中选取：Cu、Co、Zn、Cr、Ag、Fe、Al、V；所述氧化物相由CaO和TiO2组成，其中CaO含量为25.85~58.39wt%，TiO2含量为74.15-41.61wt%。3.一种镍基金属氧化物陶瓷惰性阳极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、将CaO和TiO2按（25.85~58.39wt%）：（74.15-41.61wt%）的比例进行称重、混匀，并在900℃的马弗炉中煅烧4-6小时，对烧结块体后研磨得氧化物相粉末；步骤二、用普通球磨法制取金属氧化物均匀混合粉：称取金属混合粉末，与步骤一所制备的氧化物粉末按（40-60wt%）：（60-40wt%）的比例混合，一同放入球磨机中，进行12小时的干磨；所述金属混合粉末的主成分为Ni，添加额外1~2种金属元素，...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦树强，葛建邦，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11