电极制造技术

提供一种用于电化学电池的电极，其包括基质和电极材料。所述电极材料包括电催化剂和固态玻璃相，所述固态玻璃相将所述电催化剂粘合到所述基质上。本发明专利技术的电极更耐用，和可以通过比制备传统电极所要求的更简单、更快的技术生产，并且可以结合更多的电催化材料。

electrode

An electrode for an electrochemical battery is provided, comprising a matrix and an electrode material. The electrode material comprises an electrocatalyst and a solid glass phase, which binds the electrocatalyst to the matrix. The electrodes of the invention are more durable, can be produced by simpler and faster technology than traditional electrodes require, and can be combined with more electrocatalytic materials.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电极
本专利技术涉及用于电化学电池的电极，所述电化学电池在电解反应例如用于水消毒的电解氯化反应中特别有用。本专利技术还提供制备所述电极和电化学电池的方法以及所述电极和电化学电池的用途。
技术介绍
电化学水处理是水消毒的有效方法。所述应用包括使饮用水、泳池水和工业冷却水消毒。在电化学水处理中，使电极(至少一个阳极和一个阴极)与待处理的水接触。在两电极间施用DC电流使水电解。在含有低浓度溶解离子或其它杂质的水中，消耗电流的主要电化学反应如下。在阳极处，主产品为氧，伴随着阳极附近的水酸化：H2O→2H++2e-+1/2O2。在阴极处，形成氢和阴极附近的水变碱性：2H2O+2e-→H2+2OH-。如果为含氯离子的水施用电化学处理，消毒处理导致水中含的氯离子通过电化学产生次氯酸根和/或次氯酸。消毒剂次氯酸/次氯酸根在阳极在上述氧析出反应的副反应中产生。在以这种方式设计的水消毒电化学系统中，次氯酸(HClO)和次氯酸根离子(ClO-)浓度的总和称作“游离氯”。该方法称作电解氯化反应。电解氯化反应方法中所应用的阳极通常为DSA(RTM)(形稳阳极)。DSA通常通过用含电催化剂材料的前体的溶液重复喷涂或涂布基质、随后在空气中热分解以形成所需要的氧化物电催化剂而制备。例如，为了制备二氧化钌电极，在基质(如钛基质)的表面上施用氯化钌溶液，随后在空气中热分解以形成二氧化钌。施用溶液然后热分解的步骤重复多次，以在基质上累积足够厚的层。因此形成DSA是耗时的。由于需要强酸通过反应-离解而将涂层粘合到基质上，制备DSA的方法也是不方便的。另外，由于其制备方法，DSA限于盐形式的催化材料。DSA在参考文献1和2中进行了讨论。商用DSA通常为钌、铱和钛和/或其它阀金属、氧化物的混合物。活性涂层铺到基质如钛金属上。通常需要多达40次的重复金属盐施用和热分解步骤来产生所述电极。
技术实现思路
本专利技术人令人惊奇地发现通过比制备常规DSA所需更简单、更快速的技术可以提供用于电化学反应如电解氯化反应的活性耐用电极。这通过向基质施用含电催化剂和玻璃粉的电极配制物并烧制所述电极配制物使所述玻璃粉聚结来实现。这种方法也可以形成电极，与由DSA形成所达到的相比，所形成的电极包含更多的催化剂材料。正如如下实施例所述，通过向基质施用一层或多层电极配制物可以达到所需要的电催化剂负载量，但只需要单个烧制步骤来达到所需水平的电化学活性和耐用性。因此，本专利技术提供用于电化学电池的电极和生产这种电极的方法。参考文件3描述了含至多5wt％硼硅酸铅粉的浸涂IrO2-RuO2膜。涂层通过浸涂Ti/TiO2基质、在150-190℃的温度下干燥15-25分钟、然后在550-750℃的温度下退火10-20分钟而形成。重复浸渍和退火过程以获得所需的膜厚度。本专利技术人发现，即使应用比参考文献3所采用的更大量的玻璃粉和在形成固态玻璃相的用量下将电催化剂粘结于基质上，却令人惊奇地可以提供具有电化学活性和可以通过更简单的方法制备的高度耐用电极。因此，在通常水平上，本专利技术提供用于电化学电池的电极，所述电极包含位于基质上的电极材料，其中所述电极材料包括电催化剂和玻璃。在第一个优选的方面，本专利技术提供用于电化学电池的电极，所述电极包含位于基质上的电极材料，其中所述电极材料包括电催化剂和将电催化剂粘结于基质上的固态玻璃相。典型地，所述玻璃占所述电极材料的至少10wt％，如至少15wt％。典型地，所述玻璃为硅酸盐或硼硅酸盐玻璃。典型地，所述电催化剂通过电极材料形成电催化剂的互联网络。这提供在电极正常应用中从电解液至基质的导电通道。优选地，所述玻璃基本不含铅。典型地，所述电极为阳极，和所述电极材料为阳极材料。在这种情况下，所述电化学电池通常还包含阴极。替代地，所述电极为阴极，和所述电极材料为阴极材料。典型地，所述电化学电池为电解电池，例如可用于电解氯化反应的。本专利技术还提供包含第一方面的电极的电化学电池。在第二个优选的方面，本专利技术提供制备用于电化学电池的电极的方法，包括向基质施用含电催化剂和玻璃粉的电极(例如阳极)配制物，和烧制所述电极配制物使所述玻璃粉聚结。以这种方式，形成包含电催化剂的互联网络和将电催化剂粘结于基质上的固态玻璃相的电极(例如阳极)材料。典型地，所述玻璃占电极材料的至少10wt％，如至少15％。本专利技术还包括制备电化学电池的方法，包括第二个方面的制备电极的方法。在第三个优选的方面，本专利技术提供包含第一个方面的电极的电化学电池在电化学反应如含水的电化学反应中的用途。在第四个优选的方面，本专利技术提供包含第一个方面的电极的电化学电池在水消毒中的用途。电化学电池可以是电解电池，例如电解氯化反应电池，和可以通过电解氯化反应使水消毒。附图说明图1给出了在实施例中记录的由热阶段显微试验采集的加热时粉1的行为曲线。图2给出了在实施例中记录的粉1的热阶段显微试验的图像。图3给出了在实施例中记录的应力试验中实施例22的电极的电压-时间示踪。图4给出了在实施例中记录的由热阶段显微试验采集的粉2的曲线。图5给出了实施例24的电极的后散射SEM显微图。具体实施方式下面将给出本专利技术的优选和/或任选特征。除非上下文另有要求，本专利技术的任一方面均可以与本专利技术的任意其它方面组合。除非上下文另有要求，任何方面的任何优选和/或任选特征均可以单独或组合起来与本专利技术的任何方面组合。本专利技术的电极材料包含玻璃和电催化剂。所述玻璃通常形成将电催化剂粘结于基质上的固态玻璃相。固态玻璃相通常包围至少一部分电催化剂以将其粘结于基质上。例如，固态玻璃相可以为基本连续的相(类似乳液连续相)。但本专利技术人相信重要的是所述电催化剂没有完全被所述玻璃包封。换句话说，本专利技术的电极材料通常包含暴露的电催化剂。术语“暴露的电催化剂”用于包括未被所述玻璃完全包封的电催化剂。例如它可以在电极材料的电解液侧表面上和/或在电极材料的孔中，如果存在所述孔的话。术语“电解液侧表面”用来指在电化学电池中在电极正常应用过程中暴露于电解液的电极材料外表面。含电催化剂和玻璃的电极材料可以是多孔的，或者可以基本上无孔。在一些实施方案中，可能优选的是电极材料基本无孔。正如技术人员所理解的，在固态玻璃相的主体内可能存在小间隙或孔，例如当所述玻璃粉在烧制步骤中没有完全聚结时可能发生这种情况。典型地，通过加热基质上的玻璃粉以使其聚结和使电催化剂与基质粘结而形成固态玻璃相。本专利技术人认为有利的是在热处理步骤中所述玻璃不完全润湿电催化剂表面。这确保了所述电极材料包含暴露的电催化剂。另外，据信不完全润湿导致所述材料在其暴露的(电解液侧)表面上有坑或孔。这可以增加暴露电催化剂的表面积，而这相比于更平滑表面可以增强活性。电极暴露表面上的孔/坑可以应用SEM看见，例如图5中所示。正如技术人员所理解的，为了有效地使电催化剂粘结于基质上，所述玻璃通常接触电催化剂。但在加热过程中所述玻璃不完全润湿电催化剂表面，有一些区域(在电极材料表面或电极材料内部)玻璃与电催化剂隔开。优选的是电极材料在基质上形成层。优选的是电极材料层(例如电极材料连续层)形成屏障，以在电化学电池中在电极正常应用中阻止基质与电解液直接接触。在本专利技术的烧制步骤中，通常将所述玻璃加热至温度稍微高于所述玻璃由烧结开始转化为宏观流动的温度，如至温度稍微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于电化学电池的电极，所述电极包含位于基质上的电极材料，其中所述电极材料包括电催化剂和将电催化剂粘结于基质上的固态玻璃相。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.29 GB 1611252.61.用于电化学电池的电极，所述电极包含位于基质上的电极材料，其中所述电极材料包括电催化剂和将电催化剂粘结于基质上的固态玻璃相。2.权利要求1的电极，其中所述固态玻璃相为烧结的玻璃粉，该玻璃粉占电极材料的至少10wt％，优选为至少15wt％。3.权利要求1或2的电极，其中所述玻璃为硅酸盐或硼硅酸盐玻璃。4.前述权利要求任一项的电极，其中所述玻璃基本不含铅。5.前述权利要求任一项的电极，其中所述电催化剂形成通过电极材料的电催化剂的互联网络。6.前述权利要求任一项的电极，其中所述电极材料在所述基质表面形成屏障，从而防止在应用中电解质和基质接触。7.前述权利要求任一项的电极，其中所述电极材料包括暴露的电催化剂。8.前述权利要求任一项的电极，其中所述电催化剂为氧析出反应(OER)催化剂、氧还原反应(ORR)催化剂、氢析出反应(HER)催化剂和/或电解氯化反应催化剂。9.前述权利要求任一项的电极，其中所述玻璃耐酸。10.前述权利要求任一项的电极，其中所述电极材料在其电解液侧表面上具有孔和/或坑。11.前述权利要求任一项的电极，其中所述玻璃的热膨胀系数(CTE)与基质的...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·C·H·奥克斯，C·M·扎利蒂斯，
申请(专利权)人：庄信万丰股份有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB