一种用于电化学过程的膜渗透电极制造技术

本实用新型专利技术涉及一种用于电化学过程的膜渗透电极，特别涉及一种具有选择性渗透膜层、由一层或多层导电性多孔渗透介质材料构成的膜渗透电极，其中一层或多层具有参与电化学过程的催化反应活性。在控制孔径分布和孔通道表面材料特性情况下，本实用新型专利技术的膜渗透电极可以实现对目的物的选择性双向透过。在应用中膜渗透电极能够保持稳定而高效的催化活性表面，从传质、传热和反应三方面提高电化学过程的效率。本实用新型专利技术的渗透电极可用于化工、环保、医疗卫生等领域的电化学过程，尤其适用于发生非均相反应的电化学过程。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种用于电化学过程的膜渗透电极，特别涉及一种具有由一层或多层多孔材料构成的具有膜分离作用的渗透电极。本技术的膜渗透电极可用于化工、 环保、医疗卫生等领域的电化学过程，尤其适用于发生非均相反应的电化学过程。
技术介绍
电极是燃料电池和电解池等电化学设备的关键部件，其基本功能是导电和发生电极反应。由于电场屏蔽作用和第二类导体电荷传输路径的影响，极间距和极板形状会影响到设备的槽电压、负荷电流密度和能耗，而电极反应表面的催化活性组份还会影响到电极反应的选择性。为缓解电极表面电化学反应的极化现象，通常需要采用错流等手段强化传质过程。此外，当有气体等非均相物质在电极表面集聚时，需要特别注意将其清除，以避免电极有效反应表面变小。为避免两极反应物料的相互影响，通常需要使用多孔隔膜、盐桥或离子交换膜将两极室分隔开。最早应用的电极是非渗透性电极(丁二酸在Ti/Ti02膜电极上的电化学合成. 高等学校化学学报，2010，31(10): 2046-2051)，目前其在有机电合成等领域的科研与生产中仍有着广泛的应用。使用中需要在电极表面保留一定的流道空间，以便流体流通，降低电极表面的极化程度。但这同时也就加大了极间距，从而使槽电压升高，增大了设备的能^^ ο以带有网孔的电极代替非渗透性电极，可以大大减小极间距，典型的应用出现在氯碱生产中，其电极槽实现了“零极距”(高电流密度零极距离子膜电解槽的应用.中国氯碱，2007，(04) :9-11)。所使用的电极材料有金属丝编织网、拉伸开孔板等，在实现电极功能同时可为中间隔膜提供支撑。此类电极上的网孔孔径一般较大(mm级)，主要为电极两侧的流体提供传输通道，在应用中不能体现选择性透过的分离性能。此外，相对于极间距而言，电极表面的不平整程度很高，这导致电极反应主要集中在局部电极表面，进而影响到整体电极表面的利用率。一般电极反应发生在催化活性表面上，将催化活性物质从具有特定形状的电极表面直接转移到电极间的隔膜表面，可以充分提高其催化活性，并能最大程度地缩短实际发生反应的极间距，典型的应用是质子交换膜燃料电池(PEM fuel cells)(燃料电池的技术发展及应用分析.武汉大学学报(工学版)，2003，36 (04):48-52)。以热压或电沉积的方式在质子交换膜两侧附着阴极催化剂和阳极催化剂，以碳纸或碳布作为气体扩散层， 可以形成“膜电极”(MEA)结构。应用中由于与质子交换膜结合不牢，催化剂颗粒会脱落并从机械强度低且刚性差的气体扩散层流失。此外，由于膜两侧催化剂层传入和传出物流的相态不同，为实现物流的顺利传输，需要通过添加PTFE组分等手段对渗透介质进行疏水性处理。在高温热压条件下，部分催化剂还会丧失活性。复杂的程序和苛刻的要求导致生产成本高，工业化生产难度大。为降低生产成本和便于规模化生产，有研究者提出了(申请号97122126，申请号200680051679)将催化剂制成独立的片状结构，贴附于离子交换膜两侧，然后与独立的多孔集流片、导流板、防腐片等一起构成一个电解池。该改进虽然使用了刚性的多孔集流片替代了柔性的气体扩散层，但将附着于质子交换膜表面的催化剂层制备为独立片层，因此仍存在各层间结合不紧密，接触电阻高，层间微结构不可控，气、液选择性透过性差等问题。此外，还有以电镀沉积(申请号200610138715)等方式制备电极的报道，由于主要围绕固体电解质膜与电极对构成的“膜电极”(MEA)展开，着眼点为催化剂层的制备及其与电极间隔膜(固体电解质)的结合，强调催化剂在多孔基体表面和孔隙内沉积，未考虑各层的微结构及其与电极选择透过性关系，因此所制得的电极在应用中存在制作重复性差、运行不稳定、启动需要长时间活化等问题。以微滤、超滤为代表的新型分离技术采用具有特定微结构的膜作为流体中不同物质分离的选择性屏障，可以实现膜过滤、曝气、膜萃取等膜处理过程。尤其在膜过滤过程中， 大分子或非均相颗粒可被膜有效截留，与常规过滤相比，膜过滤具有分离精度高，节能的特点。利用导电多孔材料制备出同时具有膜分离功能和催化反应电极功能的膜渗透电极，将能够有效提高电极的工作效率，提高其工作稳定性和工作寿命。
技术实现思路
本技术提供一种用于电化学过程的膜渗透电极，该膜渗透电极同时具有膜分离功能和催化反应功能，能够有效提高电极的工作效率，提高其工作稳定性和工作寿命。本技术的渗透电极可用于化工、环保、医疗卫生等领域的电化学过程，尤其适用于发生非均相反应的电化学过程。通过对电极构成材料的选择、掺杂及改性，可以使其中一层或多层具有参与电化学过程的催化反应活性。当多层参与电化学反应过程时，不同层所起到的催化反应作用可以不同，该不同包括催化不同种类的反应、催化活性的强弱差异。通过控制各层孔径大小分布、孔隙率、材料组成和微结构，可以使其中一层或多层具有对特定组分的选择透过性。不同层所起到的选择透过作用可以不同，该不同包括对不同状态、不同尺寸、不同分子量、带有不同功能团化合物的截留作用和透过方向的差异。当用于有气一液相或液一液相非均相流体参与的电化学过程时，通过调节孔径分布、孔通道微结构和孔通道构成材料，可以在同一个电极上让气、液两相流体同时以不同的孔通道作为传输路径出现方向相反的可控传质，从而实现对不同相态流体透过方向的控制。本技术的技术方案为膜渗透电极由一层或多层导电性多孔渗透介质材料构成，其中具有选择性分离作用的多孔渗透介质为膜层，其中膜渗透电极膜层的厚度范围为5nm 10_，孔隙率为1 % 90 %。其中对于由多层导电性多孔渗透介质材料构成的膜渗透电极，除了膜层，其它多孔渗透介质材料作为撑体层或中间层。其中所述的膜渗透电极中膜层的平均孔径尺寸为0. Olum 300um，在气液非均相应用物系和操作条件下，膜渗透电极膜层中泡压值比膜层平均孔径对应泡压值低0. OlMpa 以上的膜孔数量所占比例大于0.001%。控制膜渗透电极制备材料中粒径范围Inm IOOOum粒子的粒径分布和局部粒子堆积密度，可以调控膜渗透电极膜层的孔径分布；利用固体酸、二氧化钛类亲水性材料或聚四氟乙烯、聚丙烯类疏水材料，对膜材料进行改性、掺杂，可以调控膜渗透电极膜层不同膜孔的材料构成。其中所述的膜渗透电极可以使用固态粒子烧结法、粒子堆积法、溶胶-凝胶法、相分离法、合成法等膜分离材料的制备方法生产得到。其中所述的膜渗透电极可由下述材料构成钛、银、金、不锈钢、钼等金属材料及其合金；氧化铁、氧化钌、氧化铑、氧化铱、氧化锡、氧化锑、氧化钛、氧化铝、氧化锆、氧化铅、氧化钽等金属氧化物；石墨、活性碳、氯化钠、杂多酸等无机非金属材料；全氟磺酸树脂、苯乙烯系离子交换树脂、丙烯酸系离子交换树脂等具有可交换离子基团的有机材料。在多孔膜渗透电极制造过程中，可以使用上述的一种或几种材料，还可以使用PVC、聚四氟乙烯、环氧树脂等非导电性材料作为辅料。其中所述的膜渗透电极，电极中含有具有参与电化学过程的催化反应活性组分的一层或多层材料，其中阴极的催化活性材料可以是银、钼、铁等纯金属或其合金，阳极的催化活性材料可以是钼、铅等纯的金属或其合金，也可以是氧化铅、氧化钌等金属氧化物或石墨、活性碳等非金属及其氧化物材料。该催化反应活性组分可以是膜渗透本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于电化学过程的膜渗透电极，其特征在于由一层或多层导电性多孔渗透介质材料构成，其中具有选择性分离作用的多孔渗透介质为膜层，膜渗透电极膜层的厚度范围为５ｎｍ～１０ｍｍ，孔隙率为１％～９０％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王龙耀，王岚，赵建洪，陈群，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：实用新型
国别省市：32