CN101506406A - 电极、其制备方法及用途 - Google Patents

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Abstract

一种电极，该电极通过采用新型催化组分的改进电极设计，在电化学电池中有效的产生臭氧。该催化组分具有许多选自各种金属和类金属的元素，并以多个涂层或层施用至基体上。该催化组分形成催化表面，该催化表面在关于氧放出相对惰性的元素存在下被至少部分破坏。

Description

电极、其制备方法及用途
技术领域
本发明涉及臭氧以比当前的技术更高的效率并因此可预见以更低的成本的产生。在下文中更详细描述的本发明涉及催化剂在电化学电池中的用途。
背景技术
很长时间就已知可制备臭氧的事实(参见Werner Von Siemens″Ozonizer″circa 1857-1858)。操作Siemens装置以产生放电，如＂电晕＂或无声放电。从那时起就已在很高的电压下通过这样的电晕放电在空气或氧气中商业产生臭氧。然而，在今天的市场中关心的是该技术有些低效和相当昂贵。在美国2003/209447 A1中已经报导：在电晕放电方法中的产率一般为约2％臭氧，即出口气体可为约2％重量的O3。获得该浓度需要输入的气体为冷的和干燥的，并且典型地用大量的冷水冷却系统。通过使用冷的、干燥的纯氧作为输入的气体可增加出口气体中的O3浓度，已经报导出口气体中的O3浓度最高达12％。然而，这需要以额外成本提供或产生纯氧，并需要另外的能量。这样的O3浓度，虽然在绝对的意义上相当少，但还足够高以为许多商业目的供给可用的O3数量，这解释了为什么电晕放电方法已在商业上持续采用。使用纯氧也克服电晕放电方法的另一缺点，该缺点为它氧化输入的气体中的任何氮气，产生有害的氧化氮(NOx)。因此，除了上述放电方法之外，还没有其它商业开发的用于产生大量O3的方法。
臭氧也可通过电解法产生，其中应用电流(通常为D.C.)通过浸于电解质中的电极。电解质包括水，水在该方法中离解成它的各元素类物质O2和H2。在合适的条件下，氧气也以O3类物质放出。O3的放出可表示为：
3H2O→O3+3H2；ΔH0(298K)＝868.6kJ mol-1
因此，基于商业观点，已知的电解法与已确定的电晕放电方法比较，可看作是在热力学上不利的。
然而，通过直接电解在含水介质中产生臭氧仍然是在技术上有吸引力的目标，尤其是如果需要溶解的臭氧(臭氧难溶于水)。
已有一些建议利用非常低的电解质温度，通过各种电解质的电解，来使臭氧放出，但这些建议的商业性开发的障碍为需要维持必需的低温、需要昂贵的冷却设备以及运行伴随的另外能源成本。
对于基于电解的臭氧产生的成功开发，仍然有许多商业动力。由于这样的＂干净＂和强效的氧化剂的许多用途，有效的臭氧电化学产生是有吸引力的。在20世纪80年代，随着对水消毒和解毒的注意的增加，在该领域中的兴趣显著增加。
以下的专利出版物一般显示描述先前建议的背景技术，利用电解法产生臭氧或作为副产物产生臭氧。
US-A-3,256,164(1966年6月14日)，Donohue，John A.等，臭氧的电解产生。在该产生臭氧的方法中，电流穿过包含不超过10％重量的水的液体电解质氟化氢，产生包含大量臭氧的气体混合物。该方法在不超过50℃但优选-20℃-+20℃下进行。必须存在至少1％重量的水，以便电流可穿过液态氟化氢，以便存在可转化成臭氧的氧。然而，由于氢氟酸存在对健康的危险，在商业体系中避免氢氟酸。
US-A-4,316,782(1982年2月23日)Foller，Peter C.等，用于臭氧产生的电解方法，讨论了具有最高达52％的电流效率的用于产生臭氧的电解电池。该电池使用高电负性阴离子，优选磷、砷或硅的六氟-阴离子的溶液。阳极由铂或二氧化铅制成，而阴极由铂、镍或碳制成。当使用电极来施加直流电时，在阳极产生臭氧和氧气，而在阴极产生氢气。
US-A-4,375,395(1983年3月1日)Foller，Peter C.等，用于产生臭氧的方法，描述了用于在高电流效率下产生臭氧的电解电池，该电解电池在包含高电负性的BF4 -或BF6 -阴离子的电解溶液中使用玻碳电极。这些电极通过用于在阳极产生臭氧的电解的含氟阴离子溶液来抗腐蚀。该臭氧产生方法的缺点为玻碳电极是昂贵的。
US-A-4,416,747(1983年11月22日)Menth，Anton等，通过电解合成产生臭氧的方法及其用途，概述了通过电解产生臭氧的方法，其中产生的臭氧用于水处理。阳极和阴极由不锈钢制成，在阳极和阴极之间为由基于全氟化磺酸的塑料聚合物制成的固体电解质。该固体电解质用作薄的离子交换膜，该膜用85％重量碳粉和15％重量铂粉的混合物层涂布在阴极侧面。该膜的阳极侧面用PbO2粉末涂布。将氧气-饱和的水溶液注入电池内，臭氧在固体电解质离子交换膜阳极侧面上的溶液中产生，而水在阴极侧面上形成。通过水的分解形成氧气和臭氧而在阳极侧面上产生的H+通过离子交换膜迁移，在阴极侧面上与水中的氧反应，形成水。在阴极的氢的放出因此被抑制。
US-A-4,541,989(1985年9月17日)Foller，Peter C，经水的阳极氧化而产生臭氧的方法和装置，描述了使用电解电池，其中通过使用DC电流电解，在要求的10磅/日的水平，空气阴极将空气中的氧还原成水，而惰性阳极将水分解成臭氧。
US-A-5,154,895(1992年10月13日)Moon，Jae-Duk.液体中的臭氧发生器，建议由一对或多对条状电极组成的臭氧发生器，该条状电极由置于臭氧化室内基体上的抗氧化金属如Pt、PbO2或SnO2制成，该臭氧化室具有从臭氧化室向外延伸的外部末端。该室具有液体如水或H2SO4、HClO4、HBF4或H3PO4溶液的入口。电流穿过室外的末端提供至电极，而水分子在电极处离解，在液体中产生臭氧气体，而不使用常规的吹风机将载气提供至臭氧发生器。
US-A-5,203,972(1993年4月20日)Shimamune，Takayuki等，电解臭氧发生的方法及其装置描述了电解电池，其中分开阳极和阴极的电解质为固体电解质，优选全氟化碳磺酸基离子交换膜。通过首先用铂、金或相似金属的涂层，然后用二氧化铅的电沉积层覆盖钛基体，来制备阳极。当电流穿过电池时，在由
Figure A200780030635D0008142844QIETU
或钛制成的耐臭氧的室中的阳极处形成臭氧。
US-A-5,332,563(1994年7月26日)Chang，Shih-Ger.将毒性化学物转化成无毒产物的黄磷方法概述了以下的方法：该方法涉及空气或氧气通过黄磷、P4的水性乳液，致使P4O10或P2O5和丰富的反应物如原子氧和臭氧的形成。该方法开发自US-A-5,106,601(1992年4月21日)的公开，该公开阐述了用于从排出口气体中去除形成酸的气体如NO和NO2的方法。在该方法中产生臭氧。在两种情况下，当磷与氧分子结合时致使P4O10或P2O5的产生，并在反应的区域检测到大量的原子氧。原子氧可与氧分子结合形成臭氧。
US-A-5,460,705(1995年10月24日)Murphy，Oliver J.等，用于臭氧的电化学产生的方法和装置描述了用于产生臭氧的电化学方法和装置，该方法和装置使用由基体和催化剂涂层构成的阳极，该基体由多孔钛、钛低价氧化物、铂、钨、钽、铪、铌或类似的材料制成，催化剂涂层选自二氧化铅、铂钨合金、玻璃碳或铂。阴极为由以下组分组成的气体扩散阴极：疏水性气体扩散层支持的聚四氟乙烯粘合的半疏水性催化剂层。催化剂层由质子交换聚合物、聚四氟乙烯聚合物和金属如铂、钯、金、铱或镍组成。通过传导离子的电解质分开阳极和阴极，该电解质为质子交换膜(PEM)，该膜的一侧粘合至气体扩散阴极的催化剂层，第二侧与阳极接触。电流穿过阳极和气体扩散阴极，并在阳极形成臭氧。
国际专利申请WO 2004/072329(2004年8月26日)Cheng，S.等，产生臭氧的装置和方法描述了由选自钛、金涂布的钛和其它的惰性传导材料的基体制成的电极，该电极具有用锑改性的二氧化锡的涂层。涂层也可包括镍。涂层可包含3nm-5nm尺寸和Sn:Sb的比率为约6:1-10:1的颗粒。可例如通过浸涂和热处理步骤将多个涂层施用至基体。电极适于在水中或通过水直接产生臭氧，变成气态。
描述了电极在包含电解质的电池中的用途，该电解质可包含在乙醇-HCl混合物中的SnCl4·5H2O和SbCl3，或可仅仅利用不含任何溶解离子的纯水。任选的备选系统包含固体聚合物电解质，例如
Figure A200780030635D0009142919QIETU
虽然该系统相对于以前的建议代表显著的改进，但是在某些方面仍然有改进的空间。尤其是，已经发现按照该专利开发的原型系统中催化剂的寿命限于最多几天至数周，在该专利中的创新导致甚至更高的效率。
臭氧(O3)是很强的氧化剂，具有许多用途，包括在下面表1中显示的那些用途。
 
水处理 瓶装水和饮料主要饮用水水重新利用和循环污染物减少       味道和气味改善池和矿泉化学消毒的副产物减少
废物处理 流出物和废水处理地下水补救悬浮固体减少活化污泥         土壤补救和处理船上压舱水空调再循环水电站冷却水    
食物处理 消毒灭菌除臭 防腐贮存谷物处理
漂白 纸合成纤维聚四氟乙烯 蜡面粉
净化和消毒 医院 传染剂去除
表1：产生的臭氧的一些应用
氯-基产品用于这些目的中的许多，但在一些情况下，它们可以导致致癌物如三卤甲烷和氯胺的产生。氯可以令使用者不快(例如在游泳池中)，并可以直接污染环境。例如，在许多国家中氯-基产品被禁止用作纸浆和造纸厂中的漂白剂，在美国它在该领域中的使用已经从总氯使用的7％下降至1％。氯在上述市场中起主要作用，在2002年在美国消耗约20％的总氯供应(12.5M吨，$230/吨＝$2.9bn)。
臭氧是氯或氯-基产品处理的安全替代品。它表现出相同的功能而没有不希望的副作用；它对环境无害，因为它快速分解成氧、O2。
臭氧的电化学产生关键取决于电极材料和催化剂的适当选择。使用常规阳极例如Pt，并在浸于水性溶液中的电极上施加足够的正电位，在正常情况下将导致氧气的产生，依照以下方程：
(1)2H2O→O2+4H++4e-，E°＝1.23V.
臭氧产生取决于抑制该反应(例如通过产生具有＂高氧过压＂的阳极)，以便然后可以优先产生臭氧，因此：
(2)3H2O→O3+6H++6e-，E°＝1.51V，和：
(3)H2O+O2→O3+2H++2e-，E°＝2.07V.
该策略的优点在于臭氧产生的电流效率的任何损失将主要导致无害氧气的产生，在许多情况下，该无害氧气实际上可以是有用的。
可以通过仔细的催化剂设计和/或通过实验条件的选择，抑制水的氧化反应方程(1)，两者都直接影响中间体类物质，该中间体类物质确定上述步骤(1)-(3)中的哪个步骤可以发生。
关于促进研究探讨实现可用于商业的电化学臭氧产生方法，已经研究了许多阳极：
在各种电解质中和在一定范围的实验条件下的Pt、α-PbO2、β-PbO2、Pd、Au，尺寸稳定的RuO2阳极(RuO2DSA)、掺杂的金刚石和玻璃碳(GC)。Au、RuO2DSA和GC阳极全部产生<1％的电流效率。
Putnam等[G.L.Putnam等，J.Electrochem.Soc，93(1948)211]；Foller和Tobias[P.C.Foller，C.W.Tobias，J.Electrochem.Soc.，129(1982)506]；Cheng等，[WO 2004/072329 A1(2004年8月26日)]和Murphy和Hitchens[US-A-5,460,705(1995年10月24日)]的研究代表关于电化学技术发展的技术发展水平。
本发明的目的是提供臭氧产生的改进，尤其是开发适于商业化的电化学方法。
发明内容
在下文中更详细描述的本发明通过采用新型催化组分的改进电极设计在电化学电池中实现了有效的臭氧产生。该催化剂通过特定元素的选择来抑制氧放出和促进臭氧产生，该特定元素掺入催化组分中以有利地朝臭氧产生的目标使催化剂性能改性。另外，该创新显著增加催化剂的有效寿命。改性的催化剂可掺入电极结构中，例如通常已知类型但以依照本发明的独特方式制备的在催化剂基体、载体元件或组件上携载的电极结构。
依照本发明的第一方面，提供用于电化学电池的电极，该电极包含施用至基体的催化组分，该催化组分包含许多选自金属和类金属的元素，该催化组分以多个涂层或层施用至基体，和该催化组分形成催化表面，该催化表面在电极的正常使用中在关于氧放出相对惰性的元素存在下至少部分被破坏。
电极优选包含催化组分的多个涂层，其中优选有至少一个夹层的组成不同于其它涂层，例如包含100:10比率的Sn:Sb的一个夹层。这样的夹层可为电沉积的。
尤其是，本发明通过采用尺寸稳定的阳极在电化学电池中提供臭氧产生的改进，该阳极对于水氧化成O2为相对惰性的，并包括至少一种另外的促进臭氧产生的元素。
阳极可包含掺杂Sb的SnO2(或Sb2O5/SnO2)以及选自金属和/或类金属的另外元素，该金属和/或类金属关于氧放出相对惰性，优选Au、Fe、Co、Pb中的至少一种，并任选包括过渡金属。对于本发明的目的而言，不适合作为主要或唯一的另外元素的金属的实例为Pt，由于它在氧放出中的活性，但观察到Pt的存在可提供促进阳极有效的使用寿命的结构优点。合适的促进臭氧的另外元素可通过与Pt比较其在氧放出中的活性进行选择，优选关于氧放出其活性比Pt明显小的那些元素。因此，必须理解不排除Pt的存在，条件是充分地包括优选的促进臭氧的另外元素中的至少一种。
催化剂元素可选自各自处于合适氧化态的Sn、Sb、Fe、Co、Ni、Au和Pb。
催化剂可包含Sn和选自以下的其它元素：由Sb和Pt组成的第一组，也选自由Fe、Co、Ni、Au和Pb组成的第二组。
优选，催化剂包含Sn，且至少一种其它元素为Sb，和至少一种其它元素选自Fe、Co、Ni、Au和Pb。
催化剂可以包含较大比例的Sn和较少量的Sb、过渡元素和Au。
任选，催化剂可以包含较大比例的Sn和较少量的Sb、过渡元素和Pb。
或者，催化剂可以包含较大比例的Sn和较少量的Sb和过渡元素Fe、Co和Ni中的至少一种。
催化剂组分和其它元素可包含在醇溶液中原子/摩尔比约1000:16:2:0.5-1000:16:2:20的Sn:Sb:Ni:Au。
催化剂组分和其它的元素可包含在醇溶液中原子/摩尔比约1000:16:2:6-1000:16:2:4的Sn:Sb:Ni:Au。
催化剂组分和其它的元素可包含在醇溶液中原子/摩尔比约1000:16:2:6的Sn:Sb:Ni:Au。
催化组分可以以层施用至基体，且在该催化组分中至少一个夹层可包含原子/摩尔比约100:1-100:20的Sn:Sb。
催化组分可以以层施用至基体，且在催化组分内的至少一个夹层可以包含原子/摩尔比约100:10的Sn:Sb。此外，该夹层可为电沉积的。
依照本发明的第二方面，提供电化学电池，该电池包含包括催化剂的第一电极，该催化剂由掺杂锑的锡组合物组成，该锡组合物包括至少一种以下元素∶Au、Pb、Fe、Co和Ni；反电极；用于接受电解质和/或水的第一室和第二室，所述室被分离器或膜分开；和该电池的外壳，该外壳的至少一部分适于收集气体。
任选第一电极形成位于电池第一室内的阳极，且第一室包含与阳极接触的电解质，该电解质包含酸和/或水，而反电极形成在电池第二室中的阴极，且与阴极接触的电解质包含酸和/或水。
阳极和阴极可两者都与质子交换膜的两侧面充分接触(形成膜电极组合装置)，并且在该情况下，空气或氧气可以与阴极接触，作为酸和/或水的替代。
依照本发明的第三方面，提供用于产生臭氧的电化学电池的催化组分，该催化组分包含其上携载催化剂的基体，该催化剂由掺杂锑的锡组合物组成，该锡组合物包含选自Au、Pb、Fe、Ni和Co的至少一种另外元素。
可以在多个层中施用催化剂，所述层的至少一个可具有不同于其它层的组成。
催化剂的表面层可存在Au，作为包埋在表面的元素。
或者，催化剂的表面层存在Pb，作为包埋在表面的元素。
催化剂的表面层可存在Fe，作为包埋在表面的元素。
或者，催化剂的表面层可存在Co，作为包埋在表面的元素。
优选，至少一层包含锡催化剂和锑，基本上不含任何其它活性元素，作为夹层包括在催化涂层中。
任选，基本上所有的催化层均包括Ni。
施用至基体的催化剂可得自涂布溶液，其中元素锡:锑:镍:金的原子/摩尔比为1000:16:2:6。
至少一个包含锡和锑的层可以得自涂布溶液，其中元素锡:锑的原子/摩尔比为100:10。
实施本发明的方式
预期在本发明的阳极的以下反应：
3H2O→6H++6e-+O3        (1)
或，更有效地：
O2+H2O→O3+2H++2e-       (2)
可采用电极的常规结构，例如形成掺杂的催化电极表面的载体基体。钛网孔可适用于该目的，但另一种惰性材料，甚至陶瓷可用作电极活性表面的核心。应理解掺杂的表面材料的功能性催化层可以多个涂层或沉积层施用以提供对载体基体的合适的覆盖，例如20个这样的层或沉积层可提供商业上耐用的阳极。不规定最小或最大的水平，但必须施用足够的量以提供载体基体上的功能性阳极涂层，这可以通过该材料的简单试验容易地确定。
目前认为适于实现本发明的催化剂类型为例如在WO2004/072329中描述的类型，该专利教授阳极电催化剂(基于经验的组合物Ni:Sb:Sn 1:8:500，需要尺寸[直径]分布为3-5nm的连接的纳米颗粒)，迄今为止已导致在室温下超过36％的臭氧产生的电流效率，相当于34mg L-1的溶解的臭氧。这是发明人认识到的在室温下在含水介质中电催化产生臭氧的最高电流效率。最初，在启动后，臭氧产生效率可以超过80％，但在使用一段时间后该水平典型地下降至30％-35％。然而，在运行一段时间后发现该催化剂失效了，而本发明的目的为克服这样的失效。
将这样的催化剂表面改性以实现在本文中更完全描述的本发明可获得的益处。有价值的改性包括用Au或Pb作为另外的表面元素以促进臭氧产生，同时避免增加氧气产生，在催化剂层内包含夹层以提高使用寿命和性能。典型地，改性的催化剂的表面比未改性的催化剂更平滑，粒度为5nm-20nm。
典型地，用于产生臭氧的装置包含多隔室的电化学电池，该隔室至少限定阴极室和阳极室，所述室被至少一个分离器分开，且各自包括电极，其中至少一个室接受依照本发明的上述类型的电极。
装置可包含膜分隔电池。在这样的电池中，阳极室和阴极室被可为质子交换膜(PEM)的膜分开，且电极置于操作的功能位，接近但通常不接触分离器/膜。尤其是，如果电解质是酸性的，那么电极和膜不必接触。然而，如果电解质为水，那么由于电阻，电极离膜越近越好。最后，当电解质为空气或氧气时，那么电极和膜必须接触。
在本发明的实施方案中，一系列的室排列在电池组(cell)的＂电池＂中，其中备选的室包括用于产生臭氧的电极或用于产生氢的电极。合适的管道提供有分离器以直接使气体逸出至收集器。
阳极室和阴极室可通过膜组件彼此分开，并在室内安排成在使用中与导入至电池室的液体接触，该膜组件包含质子交换膜，质子交换膜与催化材料充分接触(例如在电极的表面上，包埋在糊状电极或悬浮在碳颗粒电极内)。质子交换膜不使气体渗透。液体和气体渗透性材料优选安排成覆盖在催化涂层上面。液体和气体渗透性材料可为多孔的金属。
电池可包含适于围绕分离器组件搭扣配合(snap-fit)的外壳，并在其间掺入液体密封物。或者，相应的外壳部分可存在于分离器组件周围，引入合适的密封物以避免液体渗漏，使用紧固手段闭合外壳部分，例如铆钉、粘合剂、焊接或螺纹紧固件。紧固手段可压缩密封物，该密封物可为惯用的垫圈或O形环，取决于外壳部分的构型。显然本领域的技术人员将理解，对于安置其中将产生臭氧的阳极的室来讲，应注意选择耐臭氧的材料。专利材料如氟化聚合物
Figure A200780030635D0015143134QIETU
、KYNAR和
Figure A200780030635D0015143141QIETU
可用于易于接触臭氧的表面，NYLON紧固件可与这样的材料适配。
在依照本发明的方法中，类似于典型燃料电池设计的电池适合通过电流穿过特定的膜组件，通过排列在膜任一侧的电极，来电化学产生臭氧，该电极分别与电解质或水和空气、氧气、水或电解质接触。在与电解质/水接触的电极周围产生臭氧和氧气，质子穿过膜。如果第二电极与电解质或水接触，质子在第二电极处结合形成氢气，或如果它与氧气或空气接触则形成水。特定催化剂在膜组件中的使用允许比预期的用于产生臭氧的其它电化学方法的优越性能。
附图简述
现在将参考附图通过示例性实例描述本发明，其中：
图1为通过适用于本发明性能的电化学电池的示意断面图；
图2为电极板设计的实施方案的示意断面图；
图3为用电流效率和吸收度来图示本发明的试验实施方案性能的图；和
图4为市售PbO2电池产生的与玻璃PEM电池中本发明的掺杂Au的阳极电极产生的液相臭氧比较的图。
实施例
在本发明的实施方案中，使用草酸清洗的钛网基体制备用于电极的催化组分。施用在乙醇溶液中Sn:Sb(100:10)的电沉积的(ED)中间涂层以形成ED夹层。然后顺序施用催化涂层以逐渐建立稳定的涂层，各涂层在500℃-600℃下加热处理。或许需要大约20个涂层，取决于采用的技术。涂层组合物基于在乙醇溶液中原子/摩尔比约1000:16:2:0.5-1000:16:2:20的Sn:Sb:Ni:Au。涂层组合物可以基于在乙醇溶液中原子/摩尔比约1000:16:2:6-1000:16:2:4的Sn:Sb:Ni:Au。涂层的组合物最好基于在乙醇溶液中原子/摩尔比约1000:16:2:6的Sn:Sb:Ni:Au。元素各自处于合适的氧化态。
使用常规技术使用例如导电连接器如钛丝和或导电板，完成涂布的基体，使它适合用作电极。这形成用于尺寸稳定的阳极(DSA)的基础。
使用DSA产生臭氧的制备电池1包含限定电解质容器的惰性壁2和基础2b，且配置成接受分离器3以在其中限定多个室4、5，该室的每一个交替接受DSA 6。该电池被适合收集和传送气体离开电池的歧管2a覆盖。该歧管具有用于电连接附接的构造(provision)(未显示)。电池可在共同的外壳内并联连接。选择的材料为耐臭氧的，例如碳氟化合物基结构的和密封的组件。提供用于添加电解质、水等的液体连接器(未显示)。该连接器提供流通以促进连续的或延长的分批运行过程。
分离器为组件的集合，其包括质子交换膜(PEM)7和用于密封和间隔目的的垫圈8。制备构造以便完成与导电板元件9的装配。板的构型可部分包封PEM以帮助定位和装配。PEM和相关的垫圈充当用作电极的导电板元件之间的电绝缘体。
组装的电池可以按任何位置定向，连接至液体供应。
在电池的使用中，在选择的时间内，施加2.7V的标称电压，并分别收集逸出的气体(O3和H2)。在一个试验期间(40天)，监测电流和吸收度(OD)。电流维持在0.09A以上。图3显示试验的结果。
在图4中显示的为标准二氧化铅(PbO2)电极与依照本发明的电极(WEXIIIED-Au)的臭氧产生比较数据图，两者都在2.7V和相同的条件下运行。从图4中可清楚的得知，本发明的电极用于在比本领域已知的电极更短的时间范围内产生更大体积的臭氧。尤其是，图4显示，本发明的电极在比先有技术的电极所需电流显著更低的电流(本发明的为0.3A对PbO2的1.1A)下将有利地产生臭氧。因此，如果例如PbO2电极在典型的1-10％的电流效率下运行，那么本发明的电极显然远优于本领域已知的那些电极。
除在图4中提供的数据外，试验范围的结果(此处未报道)表明可用本文描述的本发明制备的催化剂、电极和电池代表在臭氧产生的电解方法中的显著进步。
工业实用性
本发明发现宽范围领域中的实用性，包括饮用水处理、食物生产、废物处理、卫生和保健、原料加工和环境治理。可结合本文进行改进和修改而不背离本发明的范围。

Claims (33)

1.一种用于电化学电池的电极，所述电极包含施用至基体的催化组分，所述催化组分包含许多选自金属和类金属的元素，且所述催化组分以多个涂层或层施用至所述基体，和所述催化组分形成催化表面，在电极的正常使用中，所述催化表面在关于氧放出相对惰性的元素存在下至少部分被破坏。
2.权利要求1的电极，其中所述催化组分的多个涂层包括至少一个不同于其它涂层的组合物夹层。
3.权利要求1或2的电极，其中至少一个在所述催化组分中的夹层包含原子/摩尔比约100:1-100:20的Sn:Sb。
4.权利要求3的电极，其中至少一个所述催化组分中的夹层包含原子/摩尔比约100:10的Sn:Sb。
5.前述权利要求中任一项的电极，其中所述夹层为电沉积的。
6.前述权利要求中任一项的电极，所述电极包含掺杂Sb的SnO2。
7.前述权利要求中任一项的电极，所述电极包含Sb2O5和SnO2。
8.前述权利要求中任一项的电极，其中所述关于氧放出相对惰性的元素是Au、Fe、Co和Pb中的至少一种。
9.前述权利要求中任一项的电极，所述电极还包含过渡金属。
10.前述权利要求中任一项的电极，其中所述催化组分的元素选自各自处于合适氧化态的Sn、Sb、Fe、Co、Ni、Au和Pb。
11.权利要求1-9的电极，其中所述催化组分包含Sn，且其它的元素选自由Sb和Pt组成的第一组，并且也选自由Fe、Co、Ni、Au和Pb组成的第二组。
12.权利要求1-9的电极，其中所述催化组分包含Sn，且至少一种其它的元素为Sb，并且至少一种其它的元素选自Fe、Co、Ni、Au和Pb。
13.权利要求9-12的电极，其中所述催化组分包含较大比例的Sn和较少量的Sb、过渡元素和Au。
14.权利要求9-13的电极，其中所述催化组分包含较大比例的Sn和较少量的Sb、过渡元素和Pb。
15.权利要求9-14的电极，其中所述催化组分包含较大比例的Sn和较少量的Sb和过渡元素Fe、Co和Ni中的至少一种。
16.权利要求13的电极，其中所述催化组分和其它的元素包含原子/摩尔比约1000:16:2:0.5-1000:16:2:20的Sn:Sb:Ni:Au。
17.权利要求13的电极，其中所述催化组分和其它的元素包含原子/摩尔比约1000:16:2:6-1000:16:2:4的Sn:Sb:Ni:Au。
18.权利要求13的电极，其中所述催化组分和其它的元素包含原子/摩尔比约1000:16:2:6的Sn:Sb:Ni:Au。
19.权利要求16-18的电极，其中所述催化组分和其它的元素以涂布溶液施用。
20.权利要求19的电极，其中所述涂布溶液为醇溶液。
21.一种电化学电池，所述电化学电池包含第一电极，所述第一电极包括催化剂，所述催化剂由掺杂锑的锡组合物组成，该锡组合物包括至少一种以下元素：Au、Pb、Fe、Co和Ni；反电极；用于接受电解质和/或水的第一室和第二室，所述室被分离器或膜分开；和所述电池外壳，该外壳的至少一部分适于收集气体。
22.权利要求21的电化学电池，其中所述第一电极形成位于所述电池第一室中的阳极，且所述第一室包含与所述阳极接触的电解质，所述电解质包含酸和/或水，而所述反电极形成在所述电池第二室中的阴极，且与所述阴极接触的电解质包含酸和/或水。
23.权利要求22的电化学电池，其中所述阳极为权利要求1-20中所描述的电极。
24.一种用于产生臭氧的电化学电池的催化组分，所述催化组分包含其上携载催化剂的基体，所述催化剂由掺杂锑的锡组合物组成，该锡组合物包含至少一种选自Au、Pb、Fe、Ni和Co的另外元素。
25.权利要求24的催化组分，其中在多个层中施用所述催化剂，所述层的至少一个具有不同于其它层的组成。
26.权利要求25的催化组分，其中所述不同的层包含锡和锑，基本上不含任何其它的活性元素，并作为夹层包括在催化涂层中。
27.权利要求24-26的催化组分，其中所述催化剂的表面层可存在Au作为包埋在表面的元素。
28.权利要求24-27的催化组分，其中所述催化剂的表面层存在Pb作为包埋在表面的元素。
29.权利要求24-28的催化组分，其中所述催化剂的表面层存在Fe作为包埋在表面的元素。
30.权利要求24-29的催化组分，其中所述催化剂的表面层存在Co作为包埋在表面的元素。
31.权利要求24-30的催化组分，其中基本上所有的所述催化层包括Ni。
32.权利要求24-31的催化组分，其中所述基体得自涂布溶液，在该涂布溶液中元素锡：锑：镍：金的原子/摩尔比为1000:16:2:6。
33.权利要求24-32的催化组分，其中至少一个包含锡和锑的层得自其中元素锡：锑的原子/摩尔比为100:10的涂布溶液。
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