CN103276404B

CN103276404B - 气体扩散电极的制备方法

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Publication number: CN103276404B
Application number: CN201310193984.5A
Authority: CN
Inventors: 王峰; 张�杰; 刘景军; 宋夜; 吉静; 李志林
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2033-05-23
Also published as: CN103276404A

Abstract

本发明属于一种气体扩散电极及其制备方法，该气体扩散电极由扩散层和催化层两部分组成，扩散层与催化层浆料中采用Texanol酯醇作为浆料增稠剂，去除浆料中的有机溶剂异丙醇，Texanol酯醇用量少且浆料体系为单一水相，在浆料高度分散的同时随着Texanol酯醇的加入量变化浆料的粘度连续可调以利于电极的涂抹，同时降低了电极的制造成本。本发明提供的气体扩散电极在氯碱工业电解过程中，槽电压低，寿命长，适合于氯碱工业中的电解反应。

Description

气体扩散电极的制备方法

技术领域

本申请属于化工领域，具体而言，适用于氧气还原气体扩散电极及其制备方法，尤其适用于氯碱工业中的氧气还原的气体扩散电极及其制备方法。

背景技术

氯碱工业是国民经济的重要组成部分，是基础化工原材料行业，同时，氯碱工业也是一个高耗能的行业，每年用电量大约占工业总用电的1%，因此，最大限度的降低氯碱工业的用电量是全世界共同关注的课题。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：

而以采用氧气阴极的离子膜制碱法其电化学反应式为：

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%，具有非常可观的应用价值。

目前，气体扩散电极大都采用水与有机溶剂异丙醇作为分散剂，主要缺点如下：

水与异丙醇两相混合，在电极涂抹过程中由于两相蒸发速率不同，电极表面容易生成裂纹。

异丙醇与PTFE作用强烈，常会导致PTFE乳液破乳从而使浆料分散不均匀，出现相分离现象。

异丙醇作为有机溶剂，对炭黑等碳材料的分散性不好，微观条件下，炭黑的团聚严重，从而使制备出的电极表面粗糙，裂纹明显。

异丙醇用量大，价格高，增高了电极的成本，同时，异丙醇在电极制作过程中只起到了分散的作用，因此，在电极涂抹过程，大部分都挥发至空气中，造成了环境的污染。

因此，在电极制作过程中，寻找一种新型的增稠剂，同时除去有机溶剂异丙醇显得尤为重要。

发明内容

本发明在现有工艺基础上，针对电极浆料分散不均匀且粘度较低不利于涂抹的缺陷进行改进，采用Texanol酯醇作为增稠剂，去除有机溶剂异丙醇，从而有效的改善了电极浆料的分散状态以及浆料的粘度。

本发明所提供一种Texanol酯醇增稠方法，其特征在于，在电极浆料中加入Texanol酯醇，去除异丙醇，然后进行剪切分散，调节浆料至最适于涂抹的粘度，具体包括如下步骤：

扩散层的制备：在容器中加入2-6%曲拉通水溶液，高石墨化炭黑，Texanol酯醇，用匀浆机剪切分散0.5-1h，然后加入50-70%的PTFE乳液，剪切分散8-15min，将所制得的浆料均匀地涂抹于镀银泡沫镍上并于50～80℃下烘0.5h后冷压得到气体扩散层。

催化层的制备：在容器中加入2-6%曲拉通水溶液，酸化的高石墨化炭黑，Texanol酯醇和银粉，用匀浆机剪切分散0.5～1h，然后加入50-70%PTFE乳液，剪切分散8-15min；将所得催化层浆料涂到步骤（1）扩散层上形成催化层，然后放入烘箱于50～80℃下烘0.5h后冷压形成气体扩散电极。

热压成型：将上述制备的气体扩散电极在200℃～300℃下热处理1h，除去电极中的曲拉通以及Texanol酯醇，最后将电极在340-400℃下热压成型。

在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于扩散层浆料配制过程中所加入的Texanol酯醇的质量相对于高石墨化炭黑的质量优选为0.5～0.9。

在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于扩散层浆料配制过程中所加入的Texanol酯醇的质量相对于水的质量优选为0.1～0.5。

在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于扩散层浆料配制过程中所加入的Texanol酯醇的质量相对于PTFE的质量优选为0.5～1。

在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于扩散层浆料随着Texanol酯醇的加入浆料粘度连续可调-持续上升至100KU。

在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于催化层浆料配制过程中所加入的Texanol酯醇的质量相对于酸化高石墨化炭黑的质量优选为0.5～0.9。

在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于催化层浆料配制过程中所加入的Texanol酯醇的质量相对于水的质量优选为0.1～0.5。

在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于催化层浆料配制过程中所加入的Texanol酯醇的质量相对于PTFE的质量优选为1～5。

在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于催化层浆料随着Texanol酯醇的加入浆料粘度连续可调-持续上升至42KU。

在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于热处理温度在150℃～300℃，以除去浆料中的Texanol酯醇和曲拉通。

本发明采用Texanol酯醇作为增稠剂，而去除有机溶剂异丙醇，避免了异丙醇与PTFE的强烈相互作用，从而提高了浆料的分散性，使制得的电极表面异常光亮平整。本发明的分散体系为单一水相，在电极制作过程中，溶剂挥发速率一致，电极表面无裂纹产生，同时在Texanol酯醇的作用下，炭黑的分散更加均匀，微观条件下，炭黑之间无团聚，从而使制得的电极表面更加平滑；随着Texanol酯醇加入量的变化，浆料的粘度连续可调，有利于达到不同条件下最利于电极涂抹的粘度；用Texanol酯醇代替异丙醇降低了电极的制作成本，有利于环境的保护。

附图说明

图1：(a)与（b）分别为实施例与对比实施例的电极浆料的SEM照片，从照片上可以看出实施例中的浆料分散更加均匀，孔结构明显，而对比实施例的浆料表面有明显的团聚现象。

图2（a）与（b）分别为实施例与对比实施例所制备电极的照片，从照片可以看出，实施例中所制备的电极由于浆料高度分散，表面光亮，平滑，而对比实施例电极的表面比较粗糙。

图3：为实施例与对比实施例所制备的气体扩散电极在电解槽实际运行的数据（测试条件：30%NaOH溶液，电流密度3kA/m²,温度80℃），从数据可以看出，实施例中电极在电解过程中槽电压均比较低而且更加稳定。

具体实施方式

实施例

扩散层的制备：在容器中加入15～25mL4%曲拉通水溶液，2～5g高石墨化炭黑，1～5gTexanol酯醇，用匀浆机剪切分散0.5-1h，然后加入1～4mL60%PTFE乳液，剪切分散10min，将所制得的浆料均匀地涂抹于镀银泡沫镍上并于50～80℃下烘0.5h后冷压得到气体扩散层。

催化层的制备：在容器中加入3～8mL4%曲拉通水溶液，0.1～2g酸化的高石墨化炭黑，0.1～1gTexanol酯醇和0.3～1g银粉，用匀浆机剪切分散0.5～1h，然后加入0.1～0.5mL60%PTFE乳液，剪切分散10min；将所得催化层浆料涂到步骤（1）扩散层上形成催化层，然后放入烘箱于50～80℃下烘0.5h后冷压形成气体扩散电极。

热压成型：将上述制备的气体扩散电极在200℃～300℃下热处理1h，除去电极中的曲拉通以及Texanol酯醇，最后将电极在360℃下热压成型。

对比实施例

扩散层的制备：在容器中加入15～25mL4%曲拉通水溶液，2～5g高石墨化炭黑，70～80mL异丙醇，用匀浆机剪切分散0.5～1h，然后加入1～4mL60%PTFE乳液，剪切分散10min，将所制得的浆料均匀地涂抹于镀银泡沫镍上并于50～80℃下烘0.5h后冷压得到气体扩散层。

催化层的制备：在容器中加入3～8mL4%曲拉通水溶液，0.1～2g酸化的高石墨化炭黑，1～5mL异丙醇和0.3～1g银粉，用匀浆机剪切分散0.5～1h，然后加入0.1～0.5mL60%PTFE乳液，剪切分散10min；将所得催化层浆料涂到步骤（1）扩散层上形成催化层，然后放入烘箱于50～80℃下烘0.5h后冷压形成气体扩散电极。

热压成型：将上述制备的气体扩散电极在200℃～300℃下热处理1h，除去电极中的曲拉通，最后将电极在360℃下热压成型。

对电极的表征方式主要分为以下三种：

1.扫描电镜表征，将分散好的浆料直接滴加在涂有导电胶的铜台上，高倍率两万倍下观察浆料的微观分散状态，结果如图1所示。

2.宏观观察，将热压成型的大小为9cm*9cm的电极放于水平桌面之上，拍摄照片，观察电极表面的平整度以及光滑程度，结果如图2所示。

3.实际电解槽运行，将制备好的电极裁剪出5cm*5cm的一部分，封装于电解槽装置中，实际工作面积4cm*4cm，阳极通入氯化钠溶液，阴极通入氧气，电流密度为3kA/m²，工作温度80℃，随着电解过程的进行，自动记录槽电压随时间的变化，结果如图3所示。

以上实施例显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，而不是以任何方式限制本发明的范围，在不脱离本发明范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。

Claims

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气体扩散层，气体催化层，其特征在于所述方法包括如下制备步骤：

（1）扩散层的制备：在容器中加入浓度为2-6%曲拉通水溶液，高石墨化炭黑，Texanol酯醇，用匀浆机剪切分散0.5-1h，然后加入浓度50-70%的PTFE乳液，剪切分散8-15min，将所制得的浆料涂抹于镀银泡沫镍上并于50～80℃下干燥后冷压得到气体扩散层；

（2）催化层的制备：在容器中加入浓度为2-6%曲拉通水溶液，Texanol酯醇，酸化的高石墨化炭黑和银粉，用匀浆机剪切分散0.5～1h，然后加入浓度50-70%的PTFE乳液，剪切分散8-15min；将所得催化层浆料涂到步骤（1）扩散层上形成催化层，然后放入烘箱于50～80℃下干燥后冷压形成气体扩散电极；

（3）热压成型：将上述制备的气体扩散电极在烘箱中于200-300℃热处理0.5-2h，最后将电极在340-400℃下热压成型；

步骤（1）在扩散层浆料配制过程中所加入的Texanol酯醇的质量相对于高石墨化炭黑的质量为0.1～1。

2.按照权利要求1的制备方法，其特征在于，步骤（1）在扩散层浆料配制过程中所加入的Texanol酯醇的质量相对于高石墨化炭黑的质量为0.5～0.9。

3.按照权利要求1的制备方法，其特征在于，步骤（1）在扩散层浆料配制过程中所加入的Texanol酯醇的质量相对于水的质量为0.1～1。

4.按照权利要求1的制备方法，其特征在于，步骤（1）在扩散层浆料配制过程中所加入的Texanol酯醇的质量相对于PTFE的质量为0.5～5。

5.按照权利要求1-4任意一项所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的扩散层浆料随着Texanol酯醇的加入量变化，粘度连续可调，持续上升至100KU。

6.按照权利要求1的制备方法，其特征在于，步骤（2）在催化层浆料配制过程中所加入的Texanol酯醇的质量相对于酸化高石墨化炭黑的质量为0.1～1。

7.按照权利要求1的制备方法，其特征在于，步骤（2）在催化层浆料配制过程中所加入的Texanol酯醇的质量相对于水的质量为0.1～1。

8.按照权利要求1的制备方法，其特征在于，步骤（2）在催化层浆料配制过程中所加入的Texanol酯醇的质量相对于PTFE的质量为1～10。

9.按照权利要求1，6-8任意一项所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）催化层浆料随着Texanol酯醇的加入浆料粘度连续可调，持续上升至42KU。

10.按照权利要求1，6-8任意一项所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中的热处理温度在150℃～300℃，以除去浆料中的Texanol酯醇和曲拉通。