CN113337845A - 一种能够极性反转的电极及其用途 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种能够极性反转的电极及其用途。该电极包括基体、中间层和催化层；其中，基体包括金属或其合金；中间层设置于基体上，中间层包括铂族金属和铂族金属氧化物；催化层设置于中间层上，催化层包括混合金属氧化物。该电极可作为电解、电渗析或电镀的电极。该电极可以同时满足阴极和阳极的工作环境要求，提高环境耐受性，实现对基体的保护；能够进行极性反转，快速高效的清洁电极表面的沉积物。

Description

一种能够极性反转的电极及其用途
技术领域
本申请涉及但不限于电化学领域，具体地，涉及但不限于一种能够极性反转的电极及其用途。
背景技术
析氧钛电极作为一种环境友好的不溶性阳极，已经广泛应用于电化学工业中，主要应用集中于电化学水处理、金属元素的提取以及电镀等精加工过程。析氧钛电极主要由纯金属钛或钛合金基体以及其表面的贵金属氧化物催化剂层组成，基体提供导电和机械支撑，催化剂层则通过自身的氧化还原过程大幅降低水溶液中的氧析出电位以起到节能的效果，同时依靠其极低的电化学消耗速率使阳极具有较长的使用寿命。析氧催化剂主要为铱的氧化物，使用钛、钽或铌等阀型金属的氧化物与之混合可以使涂层更致密以保护基体不至于过快发生钝化；有时也使用钛或钽等阀型金属合金或混合氧化物作为中间层插入催化剂层和基体之间以保护基体。
在电解过程中，电极表面不可避免的会沉积一些附着物，这些沉积物会影响电极的电解效率，甚至导致电极的失效。因此，定期清洁电极表面的沉积物是非常必要的。
阳极表面由于是析氧反应为酸性环境，阴极表面由于是析氢反应为碱性环境。在酸性环境下产生的沉积物，一般在碱性条件下容易去除，反之亦然。在析氯电极中(部分析氧)，可通过反转电极的极性，使得电极表面的沉积物去除。但是对于析氧电极，目前的产品都无法达到反转后可以接受的寿命程度。发明人在对上述应用条件下的电极的研究中发现，除了涂层本身的稳定性元素在阴极化的条件下不够稳定，最主要的原因还在于基材，或者涂层和基体的界面发生了劣化。进而猜想是因为常规电极的基体材料(比如钛金属或钛合金)在做阴极时，基体的腐蚀速度大大加快，同时会生成氢化钛，由于密度-体积的变化，会导致涂层的脱落。
现有文献资料中指出，钛在水溶液中的电化学响应介于真正的阀金属(例如锆、铌、钽)和活性-钝态金属(例如铁、钴、镍、铬)之间。特别是，它的氧化膜形成类似于阀金属的氧化膜形成，而它的腐蚀类似于活性-钝态金属的腐蚀。James J.Noe(1999年，Manitoba大学博士论文，《The electrochemistry of Titanium corrosion》)提到了钛在酸性电解质中的电流-电位关系示意图，如图1所示。
在活化区域，钛可以以相对高的速率被氧化，在溶液中形成钛(III)离子，而在钝化区域，钛被氧化膜覆盖，并且只能非常缓慢地被氧化。在阳极应用中，钛基材应避免活化状态，并且阳极工作时的钛基材最好处在钝化状态下。合金化可以改变钛的钝化条件，它可以通过两种方式起作用：抑制阳极半反应，或增强阴极半反应。通过阴极改性诱导钛的钝化的合金元素包括铂、钯、镍、钼等。M.Nakagawa等的文章(The effect of Pt and Pdalloying additions on the corrosion behavior of titanium in flfluoride-containing environments，Biomaterials 26(2005)2239–2246)清楚地表明通过与铂和钯的合金化，钛的活化区域几乎消失，如图2和图3所示。
贵金属涂层本身无论析氢还是析氧都是比较稳定的，但是由于常规涂层加工工艺为热分解工艺，涂层存在很多的缺陷和裂纹。在常规的析氧应用中，阳极反应产生的低的pH值会大大加速基材的腐蚀。而常规的解决方案，一般都是加一层氧化钽为主的中间层，可以达到很好的延长寿命的效果。但是发明人已经发现这种类型的中间层无法解决极性反转的电极的寿命问题。
基于以上理解，对于极性反转的电极的应用，我们需要一种新的电极结构。能够避免基材的阴极化腐蚀，从而延长电极在反转电极析氧条件下的寿命。
此外，某些应用也需要电极具有反转电极极性的功能，比如电渗析膜堆，为了保持膜堆的性能，需要周期性的反转电极的极性。但是，使用析氯电极和氯化钠极液会产生较大的氯气污染问题。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
为了能够快速高效的清洁电极表面不必要的沉积物，以及找到合适的能够极性反转的析氧电极应用于需要周期性反转电极极性的领域，本申请的发明人通过多年悉心研究，特别是基于图1-3所述的内容，假设基于铂族金属而不含钽的中间层可以提高阴极极化和连续极性反转下的稳定性的情况下，对电极结构进行了改进。
本申请提供了一种能够极性反转的电极，所述电极包括基体、中间层和催化层；所述基体可以包括金属或其合金；所述中间层设置于所述基体上，所述中间层可以包括铂族金属和铂族金属氧化物；所述催化层设置于所述中间层上，所述催化层可以包括混合金属氧化物。
在一些实施方式中，所述中间层可以包括金属铂和二氧化铱的混合物。以金属含量计，铂和铱的含量之和可以为1g/m2-30g/m2，例如可以为2g/m2、3g/m2、4g/m2、5g/m2、7.5g/m2、8g/m2、10g/m2、12g/m2、15g/m2、18g/m2、22g/m2、25g/m2、28g/m2等。以中间层的总金属含量计，铂的含量(以金属含量计)为10wt％-90wt％，例如可以为20wt％、30wt％、40wt％、50wt％、60wt％、70wt％、80wt％等。以中间层的总金属含量计，铱的含量可以为10wt％-90wt％，例如可以为20wt％、30wt％、40wt％、50wt％、60wt％、70wt％、80wt％等。以中间层的总金属含量计，铂的含量(以金属含量计)为40wt％-90wt％，例如可以为50wt％、60wt％、70wt％、80wt％等；和铱的含量可以为10wt％-60wt％，例如可以为20wt％、30wt％、40wt％、50wt％等。
在一些实施方式中，所述中间层还可以含有钌、钯、铑中的任意一种或多种的金属氧化物。以中间层的总金属含量计，所述中间层的金属钌、钯、铑的含量(以金属含量计)可以各自为小于10wt％，例如可以为1wt％、2wt％、5wt％、8wt％等。
在一些实施方式中，所述中间层的铂族金属可以扩散至所述基体中，形成混合过渡层。可以通过热处理，例如烧结的方式进行扩散。
在一些实施方式中，所述催化层可以包括铱的金属氧化物，还可以包括钽和铱的混合金属氧化物，还可以包括五氧化二钽和二氧化铱。以金属含量计，所述催化层的铱的含量可以为3g/m2-100g/m2，例如可以为5g/m2、8g/m2、10g/m2、15g/m2、20g/m2、22g/m2、25g/m2、30g/m2、35g/m2、40g/m2、50g/m2、60g/m2、70g/m2、80g/m2、90g/m2等。以催化层的总金属含量计，铱的含量(以金属含量计)可以为20wt％-90wt％，例如可以为30wt％、40wt％、50wt％、60wt％、70wt％、80wt％等。以催化层的总金属含量计，钽的含量(以金属含量计)可以为10wt％-80wt％，例如可以为20wt％、30wt％、40wt％、50wt％、60wt％、70wt％等。
在一些实施方式中，所述催化层还可以含有钌、钯、铑、钛、铌、锆、铪、钒、钼和钨中的任意一种或多种的金属氧化物。以催化层的总金属含量计，所述催化层的钌、钯、铑、钛、铌、锆、铪、钒、钼、钨的含量(以金属含量计)各自为小于10wt％，例如可以为1wt％、2wt％、5wt％、8wt％等。
在一些实施方式中，所述基体可以为阀型金属或阀型金属的合金。所述阀型金属可以选自钛、钽、铌、锆、铪、钒、钼和钨中的一种或多种。例如，所述基体可以为金属钛或钛合金。
本申请还提供了一种能够极性反转的电极的用途，可以作为电解、电渗析或电镀的电极。
在一些实施方式中，所述电极可以为析氧电极。
与现有技术相比，本申请具有的有益效果在于：
(1)通过设置含有铂族金属和铂族金属氧化物的中间层，保证了基体和中间层之间的牢固结合，同时提高了基体在做阴极时的抗腐蚀性能。
(2)制备得到的电极对有机溶液的耐受性更强，可适用更宽的操作条件。
(3)使得电极可以同时满足阴极和阳极的工作环境要求，提高环境耐受性，实现对基体的保护。
(4)制备得到的电极能够进行极性反转，快速高效的清洁电极表面的沉积物。
(5)使得析氧电极在极性周期性反转时仍然能够保持优异的电极寿命，能够在需要周期性反转电极极性的领域应用。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为酸性电解质中钛的电流-电位关系示意图；
图2为pH值为4.0时在含0.2％NaF的人工唾液中钛及其合金的阳极极化曲线；
图3为pH值为4.0时在含0.2％NaF的人工唾液中钛-铂合金的阳极极化曲线；
图4为为本申请实施例的电极结构示意图。
图中：a.析氢区域；b.活化区域；c.活化到钝化过渡；d.钝化区域；1.基体；2.中间层；3.催化层。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本申请实施例提供了一种能够极性反转的电极，例如，如图4所示，该电极包括从下往上依次层叠设置的基体1、中间层2、催化层3。
还可以在基体1的两侧均对称的设置中间层2和催化层3。
基体1可以为阀型金属或阀型金属的合金。阀型金属可以选自钛、钽、铌、锆、铪、钒、钼和钨中的一种。例如，基体1可以为金属钛或钛合金。
基体1可以进行预处理，例如通过常规的蚀刻，或喷砂结合酸洗的工艺来进行预处理。
中间层2可以包括铂族金属和铂族金属氧化物；可以为金属铂和二氧化铱的混合物，中间层2还可以包括钌、钯、铑中的任意一种或多种的金属氧化物。以金属含量计，所述中间层的铂和铱的含量之和为1g/m2-30g/m2。以中间层的总金属含量计，铂的含量(以金属含量计)可以为10wt％-90wt％，铱的含量(以金属含量计)可以为10wt％-90wt％；以中间层的总金属含量计，金属钌、钯、铑的含量(以金属含量计)各自小于10wt％。可选地，以中间层的总金属含量计，铂的含量(以金属含量计)可以为40wt％-90wt％，铱的含量(以金属含量计)可以为10wt％-60wt％；以中间层的总金属含量计，金属钌、钯、铑的含量(以金属含量计)各自小于10wt％。
中间层2采用的铂族金属具有较高的析氧电位，高于催化层3采用的材料的析氧电位，从而保证析氧条件下电极的基体不被钝化。同时，由于金属铂的存在，中间层2在析氢条件下性能也很稳定，对阴极的工作环境耐受性高。因此，中间层2可以同时满足阴极和阳极工作时对基体的保护，使得电极能够极性反转使用，从而快速高效的清洁电极表面的沉积物，能够在需要周期性反转电极极性的领域应用。
中间层2通过涂覆含有对应元素的前驱体溶液，干燥后经烧结形成。铂的前驱体在后续的烧结过程中以金属态存在，使得金属铂向基体1(例如钛)的扩散较为容易。但是纯金属铂的涂层在酸性较高的环境中稳定性较差，添加一定量的铱(烧结过程中转化为二氧化铱)可以提高中间层在析氧产生的高酸性环境中的稳定性。
将制备中间层2的前驱体配置成涂覆液，例如可以将氯铂酸和氯铱酸在盐酸溶液中配成涂覆液，其中铂的含量可以为2.0wt％-6.0wt％，例如可以为3.0wt％、4.0wt％、4.2wt％、4.8wt％、5.0wt％等。通过常规涂覆方法，例如刷涂、辊涂、喷涂等，将一定量的涂覆液涂覆到预处理过的基体1上。将涂覆好的基体1在空气中或在60℃-90℃的烘箱中烘干，例如可以在80℃烘干，然后在400℃-600℃的空气循环电炉中烧结10分钟-30分钟，例如可以在500℃烧结20分钟。可以进行多次涂覆和多次烧结，每涂覆一次后进行一次烧结。在烧结过程中，氯铂酸分解为金属铂，以及少量的铂的氧化物，氯铱酸分解为二氧化铱。也可以通过其他化学气相沉积方法，甚至物理气相沉积方法，直接将铂和二氧化铱的混合物涂覆到基体1上。
催化层3可以包括铱的金属氧化物；还可以包括钽和铱的混合金属氧化物；例如，催化层3可以包括五氧化二钽和二氧化铱。催化层3还可以包括钌、钯、铑、钛、铌、锆、铪、钒、钼、钨中的任意一种或多种的金属氧化物。以金属含量计，催化层的铱的含量可以为3g/m2-100g/m2；以催化层的总金属含量计，铱的含量(以金属含量计)可以为20wt％-90wt％，钽的含量(以金属含量计)可以为10wt％-80wt％。以中间层的总金属含量计，金属钌、钯、铑、钛、铌、锆、铪、钒、钼、钨的含量(以金属含量计)各自小于10wt％。
制备催化层3的方法与制备中间层2的方法类似，例如可以使用氯铱酸和五氯化钽作为前驱体，在盐酸溶液中配置涂液。
中间层2或催化层3还可以含有其他元素，在相应的涂液中添加对应元素的前驱体进行制备即可，一般可添加其他元素的氯化物。
还可以在基体1上制备中间层2后，对基体1和中间层2进行热处理，使得中间层2的部分金属元素扩散到基体1中。保证了基体1和中间层2之间的牢固结合，同时还提高了基体1在做阴极时的抗腐蚀性能。热处理可以是将基体1和中间层2在500℃-600℃的空气循环电炉中烧结3小时-6小时，例如可以在530℃烧结4小时。
实施例1
采用TA1级工业纯钛作为基体，在500℃热处理1个小时后，置于90℃的30.0wt％硫酸中蚀刻4个小时，使用超声装置在超纯水中洗干净并晾干。
配置中间层涂覆液，为含氯铱酸和氯铂酸的盐酸溶液。其中，以金属含量计，铂:铱的质量比8:2，铂含量为4.8wt％，HCl浓度为10.0wt％(以饱和盐酸加入)。用热分解法在金属钛基体上涂覆中间层涂覆液4次(每次涂覆，以金属含量计，铂和铱的总量为1.0g/m2)，每次涂覆后进行500℃的热分解20min，得到含有金属铂和二氧化铱的中间层。中间层以金属含量计，铂和铱的总量为4.0g/m2。
将基体和中间层在530℃烧结4小时。
配置催化层涂覆液，为含氯铱酸和五氯化钽的盐酸溶液。其中，以金属含量计，铱:钽的质量比为7:3，铱含量为6.0wt％，盐酸浓度为10.0wt％。用热分解法在中间层上涂覆催化层涂覆液10次(每次涂覆，以金属含量计，铱的量为1.0g/m2)。每次涂覆后进行450℃的热分解20min，得到含有五氧化二钽和二氧化铱混合金属氧化物的催化层。催化层以金属含量计，铱的总量为10.0g/m2。
对比例1
采用TA1级工业纯钛作为基体，在500℃热处理1个小时后，置于90℃的30.0wt％硫酸中蚀刻4个小时，使用超声装置在超纯水中洗干净并晾干。
配置中间层涂覆液，为含氯化钽的盐酸溶液。其中，以金属含量计，钽含量为6.0wt％，盐酸浓度为10.0wt％。用热分解法在金属钛基体上涂覆中间层涂覆液3次(每次涂覆，以金属含量计，钽的量为1.0g/m2)，每次涂覆后进行520℃的热分解20min，得到含有五氧化二钽的中间层。中间层以金属含量计，钽的含量为3.0g/m2。
配置催化层涂覆液，为含氯铱酸和五氯化钽的盐酸溶液。其中，以金属含量计，铱:钽的质量比为7:3，铱含量为6.0wt％，盐酸浓度为10.0wt％。用热分解法在中间层上涂覆催化层涂覆液14次(每次涂覆，以金属含量计，铱的量为1.0g/m2)。每次涂覆后进行450℃的热分解20min，得到含有五氧化二钽和二氧化铱混合金属氧化物的催化层。催化层以金属含量计，铱的总量为14.0g/m2。
性能测试
通过软件控制整流器的正负极性及电流输出，在以下条件下进行电极的寿命测试。
测试一
测试条件为：5000A/m2，15％硫酸的电解液，极性反转时间间隔为5min(即，测试过程中，整流器每5min反转一次极性)。
实施例1的电极加速寿命为6.1Mah/m2；
对比例1的电极加速寿命为0.3Mah/m2。
测试二
测试条件为：45000A/m2，80℃，25％硫酸的电解液，不进行极性反转。
实施例1的电极加速寿命为40.0Mah/m2；
对比例1的电极加速寿命为35.0Mah/m2。
加速寿命指让电极在比实际工作条件下更大的电流、更高的温度、更高的酸度等更加苛刻的环境下，比实际工作更快地达到寿命终点，来评估电极性能的一种方法。
在电极进行极性反转的过程中，电极上大多数的沉积物被清洁，实现了析氧电极的自清洁，延长了电极寿命。
从上述对比例1的测试一和测试二结果可以看出，采用五氧化二钽作为中间层的电极，在极性周期性反转应用中，加速寿命急剧降低，电极性能无法满足应用需求。
采用金属铂和二氧化铱作为中间层的实施例1的电极与普通的五氧化二钽作为中间层的对比例1相比，在直流情况下(不进行电极反转测试，测试二)，实施例1的电极的寿命比对比例1的电极的寿命略有改善；但是在极性反转情况下(测试一)，实施例1的电极的寿命比对比例1的电极的寿命大幅度延长。
实施例2
采用TA1级工业纯钛作为基体，在500℃热处理1个小时后，置于90℃的30.0wt％硫酸中蚀刻4个小时，使用超声装置在超纯水中洗干净并晾干。
配置中间层涂覆液，为含氯铱酸和氯铂酸的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，铂:铱的质量比7:3，铂含量为4.2wt％，HCl浓度为2.0wt％(以饱和盐酸加入)，剩余的成分为正丁醇。用热分解法在金属钛基体上涂覆中间层涂覆液8次(每次涂覆，以金属含量计，铂和铱的总量为1.25g/m2)，每次涂覆后进行500℃的热分解20min，得到含有金属铂和二氧化铱的中间层。中间层以金属含量计，铂和铱的总量为10.0g/m2。
将基体和中间层在540℃烧结6小时。
配置催化层涂覆液，为含氯铱酸和乙醇钽的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，铱:钽的质量比为7:3，铱含量为5.0wt％，HCl浓度为2.0wt％(以饱和盐酸加入)，剩余的成分为正丁醇。用热分解法在中间层上涂覆催化层涂覆液8次(每次涂覆，以金属含量计，铱的量为1.0g/m2)。每次涂覆后进行450℃的热分解20min，得到含有五氧化二钽和二氧化铱混合金属氧化物的催化层。催化层以金属含量计，铱的总量为8.0g/m2。
对比例2
采用TA1级工业纯钛作为基体，在500℃热处理1个小时后，置于90℃的30.0wt％硫酸中蚀刻4个小时，使用超声装置在超纯水中洗干净并晾干。
配置中间层涂覆液，为含乙醇钽的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，钽含量为6.0wt％。用热分解法在金属钛基体上涂覆中间层涂覆液3次(每次涂覆，以金属含量计，钽的量为1.0g/m2)，每次涂覆后进行500℃的热分解20min，得到含有五氧化二钽的中间层。中间层以金属含量计，钽的含量为3.0g/m2。
配置催化层涂覆液，为含氯铱酸和乙醇钽的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，铱:钽的质量比为7:3，铱含量为6.0wt％。用热分解法在中间层上涂覆催化层涂覆液18次(每次涂覆，以金属含量计，铱的量为1.0g/m2)。每次涂覆后进行480℃的热分解20min，得到含有五氧化二钽和二氧化铱混合金属氧化物的催化层。催化层以金属含量计，铱的总量为18.0g/m2。
性能测试
通过软件控制整流器的正负极性及电流输出，在以下条件下进行电极的寿命测试。
测试一
测试条件为：5000A/m2，15％硫酸的电解液，极性反转时间间隔为5min。
实施例2的电极加速寿命为10.8Mah/m2；
对比例2的电极加速寿命为0.2Mah/m2。
测试二
测试条件为：45000A/m2，80℃，25％硫酸的电解液，不进行极性反转。
实施例2的电极加速寿命为68Mah/m2；
对比例2的电极加速寿命为52.0Mah/m2。
同样地，在电极进行极性反转的过程中，电极上大多数的沉积物被清洁，实现了析氧电极的自清洁。并且，实施例2与对比例2相比，在直流情况下，寿命有所改善，但是在极性反转情况下，寿命大幅度延长。
实施例3
采用TA1级工业纯钛作为基体，在500℃热处理1个小时后，置于90℃的7.5wt％草酸中蚀刻1小时，降温到80℃继续蚀刻12小时。使用超声装置在超纯水中洗干净并晾干。
配置中间层涂覆液，为含氯铱酸和氯铂酸的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，铂:铱的质量比5:5，铂含量为3.0wt％，盐酸浓度为2.0wt％(以饱和盐酸加入)，剩余的成分为正丁醇。用热分解法在金属钛基体上涂覆中间层涂覆液2次(每次涂覆，以金属含量计，铂和铱的总量为1.0g/m2)，每次涂覆后进行500℃的热分解20min，得到含有金属铂和二氧化铱的中间层。中间层以金属含量计，铂和铱的总量为2.0g/m2。
将基体和中间层在520℃烧结3小时。
配置催化层涂覆液，为含氯铱酸和乙醇钽的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，铱:钽的质量比为7:3，铱含量为5.0wt％。用热分解法在中间层上涂覆催化层涂覆液8次(每次涂覆，以金属含量计，铱的量为1.0g/m2)。每次涂覆后进行450℃的热分解20min，得到含有五氧化二钽和二氧化铱混合金属氧化物的催化层。催化层以金属含量计，铱的总量为8.0g/m2。
对比例3
采用TA1级工业纯钛作为基体，在500℃热处理1个小时后，置于90℃的7.5wt％草酸中蚀刻1小时，降温到80℃继续蚀刻12小时。使用超声装置在超纯水中洗干净并晾干。
配置中间层涂覆液，为含乙醇钽的和钛酸四丁酯的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，钽:钛的质量比7:3，钽含量为6.0wt％。用热分解法在金属钛基体上涂覆中间层涂覆液4次(每次涂覆，以混合氧化物计，钛钽混合氧化物的量为0.75g/m2)，每次涂覆后进行520℃的热分解20min，得到含有钛钽混合氧化物的中间层。中间层以混合氧化物含量计，钛钽混合氧化物的含量为3.0g/m2。
配置催化层涂覆液，为含氯铱酸和乙醇钽的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，铱:钽的质量比为7:3，铱含量为6.0wt％。用热分解法在中间层上涂覆催化层涂覆液10次(每次涂覆，以金属含量计，铱的量为1.0g/m2)。每次涂覆后进行500℃的热分解20min，得到含有五氧化二钽和二氧化铱混合金属氧化物的催化层。催化层以金属含量计，铱的总量为10.0g/m2。
性能测试
通过软件控制整流器的正负极性及电流输出，在以下条件下进行电极的寿命测试。
测试一
测试条件为：5000A/m2，15％硫酸的电解液，极性反转时间间隔为5min。
实施例3的电极加速寿命为2.8Mah/m2；
对比例3的电极加速寿命为0.3Mah/m2。
测试二
测试条件为：45000A/m2，80℃，25％硫酸的电解液，不进行极性反转。
实施例3的电极加速寿命为27.0Mah/m2；
对比例3的电极加速寿命为24.8Mah/m2。
同样地，在电极进行极性反转的过程中，电极上大多数的沉积物被清洁，实现了析氧电极的自清洁。并且，实施例3与对比例3相比，在直流情况下，寿命有所改善，但是在极性反转情况下，寿命大幅度延长。
实施例4
采用TA1级工业纯钛作为基体，在500℃热处理1个小时后，置于90℃的7.5wt％草酸中蚀刻1小时，降温到80℃继续蚀刻12小时。使用超声装置在超纯水中洗干净并晾干。
配置中间层涂覆液，为含氯铱酸和氯铂酸的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，铂:铱的质量比6:4，铂含量为4.0wt％，HCl浓度为2.0wt％(以饱和盐酸加入)，剩余的成分为正丁醇。用热分解法在金属钛基体上涂覆中间层涂覆液4次(每次涂覆，以金属含量计，铂和铱的总量为1.25g/m2)，每次涂覆后进行500℃的热分解20min，得到含有金属铂和二氧化铱的中间层。中间层以金属含量计，铂和铱的总量为5.0g/m2。
将基体和中间层在520℃烧结4小时。
配置催化层涂覆液，为含氯铱酸和乙醇钽的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，铱:钽的质量比为8:2，铱含量为4.5wt％。用热分解法在中间层上涂覆催化层涂覆液10次(每次涂覆，以金属含量计，铱的量为1.0g/m2)。每次涂覆后进行450℃的热分解20min，得到含有五氧化二钽和二氧化铱混合金属氧化物的催化层。催化层以金属含量计，铱的总量为10.0g/m2。
对比例4
采用TA1级工业纯钛作为基体，在500℃热处理1个小时后，置于90℃的7.5wt％草酸中蚀刻1小时，降温到80℃继续蚀刻12小时。使用超声装置在超纯水中洗干净并晾干。
配置中间层涂覆液，为含乙醇钽和钛酸四丁酯的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，钽:钛的质量比9:1，钽含量为6.0wt％。用热分解法在金属钛基体上涂覆中间层涂覆液4次(每次涂覆，以混合氧化物计，钛钽混合氧化物的量为0.75g/m2)，每次涂覆后进行500℃的热分解20min，得到含有钛钽混合氧化物的中间层。中间层以混合氧化物含量计，钛钽混合氧化物的含量为3.0g/m2。
配置催化层涂覆液，为含氯铱酸和乙醇钽的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，铱:钽的质量比为8:2，铱含量为4.5wt％。用热分解法在中间层上涂覆催化层涂覆液13次(每次涂覆，以金属含量计，铱的量为1.0g/m2)。每次涂覆后进行500℃的热分解20min，得到含有五氧化二钽和二氧化铱混合金属氧化物的催化层。催化层以金属含量计，铱的总量为13.0g/m2。
性能测试
通过软件控制整流器的正负极性及电流输出，在以下条件下进行电极的寿命测试。
测试一
测试条件为：5000A/m2，15％硫酸的电解液，极性反转时间间隔为5min。
实施例4的电极加速寿命为5.8Mah/m2；
对比例4的电极加速寿命为0.3Mah/m2。
测试二
测试条件为：45000A/m2，80℃，25％硫酸的电解液，不进行极性反转。
实施例4的电极加速寿命为32.0Mah/m2；
对比例4的电极加速寿命为37.8Mah/m2。
同样地，在电极进行极性反转的过程中，电极上大多数的沉积物被清洁，实现了析氧电极的自清洁。并且，实施例4与对比例4相比，在直流情况下，寿命相仿，但是在极性反转情况下，寿命大幅度延长。
实施例5
采用TA1级工业纯钛作为基体，在500℃热处理1个小时后，置于90℃的7.5wt％草酸中蚀刻1小时，降温到80℃继续蚀刻12小时。使用超声装置在超纯水中洗干净并晾干。
配置中间层涂覆液，为含氯铱酸、氯铂酸和三氯化钌的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，铂:铱:钌的质量比60:35:5，铂含量为4.0wt％，HCl浓度为2.0wt％(以饱和盐酸加入)，剩余的成分为正丁醇。用热分解法在金属钛基体上涂覆中间层涂覆液6次(每次涂覆，以金属含量计，铂和铱的总量为1.25g/m2)，每次涂覆后进行500℃的热分解20min，得到含有金属铂、二氧化钌和二氧化铱的中间层。中间层以金属含量计，铂和铱的总量为7.5g/m2。
将基体和中间层在520℃烧结4小时。
配置催化层涂覆液，为含氯铱酸和乙醇钽的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，铱:钽的质量比为8:2，铱含量为4.5wt％。用热分解法在中间层上涂覆催化层涂覆液22次(每次涂覆，以金属含量计，铱的量为1.0g/m2)。每次涂覆后进行450℃的热分解20min，得到含有五氧化二钽和二氧化铱混合金属氧化物的催化层。催化层以金属含量计，铱的总量为22.0g/m2。
对比例5
采用TA1级工业纯钛作为基体，在500℃热处理1个小时后，置于90℃的7.5wt％草酸中蚀刻1小时，降温到80℃继续蚀刻12小时。使用超声装置在超纯水中洗干净并晾干。
配置中间层涂覆液，为含乙醇钽和钛酸四丁酯的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，钽:钛的质量比9:1，钽含量为6.0wt％。用热分解法在金属钛基体上涂覆中间层涂覆液4次(每次涂覆，以混合氧化物计，钛钽混合氧化物的量为0.75g/m2)，每次涂覆后进行500℃的热分解20min，得到含有钛钽混合氧化物的中间层。中间层以混合氧化物含量计，钛钽混合氧化物的含量为3.0g/m2。
配置催化层涂覆液，为含氯铱酸和乙醇钽的正丁醇溶液。其中，以金属含量计，铱:钽的质量比为8:2，铱含量为4.5wt％。用热分解法在中间层上涂覆催化层涂覆液29次(每次涂覆，以金属含量计，铱的量为1.0g/m2)。每次涂覆后进行500℃的热分解20min，得到含有五氧化二钽和二氧化铱混合金属氧化物的催化层。催化层以金属含量计，铱的总量为29.0g/m2。
性能测试
通过软件控制整流器的正负极性及电流输出，在以下条件下进行电极的寿命测试。
测试一
测试条件为：5000A/m2，15％硫酸的电解液，极性反转时间间隔为5min。
实施例5的电极加速寿命为9.74Mah/m2；
对比例5的电极加速寿命为0.3Mah/m2。
测试二
测试条件为：45000A/m2，80℃，25％硫酸的电解液，不进行极性反转。
实施例5的电极加速寿命为74.0Mah/m2；
对比例5的电极加速寿命为57.8Mah/m2。
同样地，在电极进行极性反转的过程中，电极上大多数的沉积物被清洁，实现了析氧电极的自清洁。并且，实施例5与对比例5相比，在直流情况下，寿命有所改善，但是在极性反转情况下，寿命大幅度延长。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种能够极性反转的电极，所述电极包括基体、中间层和催化层；
所述基体包括金属或其合金；
所述中间层设置于所述基体上，所述中间层包括铂族金属和铂族金属氧化物；
所述催化层设置于所述中间层上，所述催化层包括混合金属氧化物。
2.根据权利要求1所述的电极，其中，所述中间层包括金属铂和二氧化铱的混合物。
3.根据权利要求2所述的电极，其中，以金属含量计，所述中间层的铂和铱的含量之和为1g/m2-30g/m2；优选地，以中间层的总金属含量计，所述中间层的铂的含量为10wt％-90wt％；优选地，以中间层的总金属含量计，所述中间层的铱的含量为10wt％-90wt％；优选地，以中间层的总金属含量计，所述中间层的铂的含量为40wt％-90wt％，以及所述中间层的铱的含量为10wt％-60wt％。
4.根据权利要求2或3所述的电极，其中，所述中间层还含有钌、钯、铑中的任意一种或多种；优选地，以中间层的总金属含量计，所述中间层的金属钌、钯、铑的含量各自为小于10wt％。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电极，其中，所述中间层的铂族金属扩散至所述基体中，形成混合过渡层。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的电极，其中，所述催化层包括铱的金属氧化物；优选地，所述催化层包括钽和铱的混合金属氧化物；优选地，所述催化层包括五氧化二钽和二氧化铱；优选地，以金属含量计，所述催化层的铱的含量为3g/m2-100g/m2；优选地，以催化层的总金属含量计，所述催化层的铱的含量为20wt％-90wt％；优选地，以催化层的总金属含量计，所述催化层的钽的含量为10wt％-80wt％。
7.根据权利要求6所述的电极，其中，所述催化层还含有钌、钯、铑、钛、铌、锆、铪、钒、钼和钨中的任意一种或多种；优选地，以催化层的总金属含量计，所述催化层的钌、钯、铑、钛、铌、锆、铪、钒、钼、钨的含量各自为小于10wt％。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的电极，其中，所述基体为阀型金属或阀型金属的合金；优选地，所述阀型金属选自钛、钽、铌、锆、铪、钒、钼和钨中的一种或多种；优选地，所述基体为金属钛或钛合金。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的电极的用途，作为电解、电渗析或电镀的电极。
10.一种如权利要求9所述的用途，所述电极为析氧电极。
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