TWI595119B - Photocatalyst and its anode - Google Patents

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TWI595119B TW105126187A TW105126187A TWI595119B TW I595119 B TWI595119 B TW I595119B TW 105126187 A TW105126187 A TW 105126187A TW 105126187 A TW105126187 A TW 105126187A TW I595119 B TWI595119 B TW I595119B
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Description

觸媒塗料及使用其之陽極
本發明係與電解應用之電極有關，主要提供一種可有效延長陽極使用壽命之觸媒塗料以及使用其之陽極。
傳統使用的不溶性陽極材料大致可分為三類，一種是貴金屬如鉑金，另一種是石墨，還有一種是鉛合金陽極；惟，鉑金費用太高，石墨與鉛合金陽極高電流電解時發生溶蝕、耐蝕性差，並且氧析出過電位大、電化學催化性能低、電力能耗大，尤其是陽極中的有毒的鉛會向溶液中溶解，造成二次污染，並使鍍層性能下降。
閥金屬表面形成很薄氧化物膜，可在大多數電解環境內被賦予較佳的化學抵抗性，又保有優良之導電性，因此為不溶性陽極之適當基材；其中，鈦或其合金更因為具有良好的機械特性因此為不溶性陽極基材常用的閥金屬。
習用以閥金屬(鈦或鈦合金)為基材之陽極多進一步設有觸媒塗層，藉以降低釋氧反應之過電壓，此用途之觸媒塗層通常含有鉑族金屬或其氧化物(例如氧化銥)，且視情形混合薄膜形成如鈦、鉭或錫之金屬氧化物；類似習用設有觸媒塗層之陽極在若干工業應上，雖有可接受之效能及使用壽命，惟在高電流密度進行之電鍍工法上卻往往不足以抵抗某些電解質之侵襲。
在電鍍工法之實務操作上，通常當電鍍槽的整流器出現如電壓飆高之電壓不穩定現象時，即可被判定陽極鈍化嚴重或觸媒塗層開始剝離造成電阻變大而無法維持一定的電流密度，必須將失效的陽極加以替換之後，方得以進行後續的電鍍作業。
然而，一般在進行電鍍作業時，多會依照實際的加工規模設置數量不等的陽極，其所使用的陽極若無法在高電流密度之工作環境下具備可接受之效能及使用壽命，將耗費較多的時間及成本來進行陽極之替換，同時亦會壓縮電鍍作業之產能，以及相對較不易掌控加工品質。
有鑑於此，本發明即在提供一種可有效延長陽極使用壽命之觸媒塗料以及使用其之陽極，為其主要目的者。
本發明所揭露之觸媒塗料，基本上係於溶劑中混合預先設定重量份之奈米碳材料。
本發明所揭露之觸媒塗料，又可於溶劑中混合預先設定重量份比例的鉑系金屬材料或其氧化物、閥金屬氧化物以及奈米碳材料。
本發明之觸媒塗料於使用時，係可塗佈於陽極之基材表面，經熱處理定型成為披覆於陽極之基材表面的觸媒塗層，除可使陽極具有高度電化學活性，藉以提高製程的整體能量效率之外，更可由奈米碳材料表現出良好的導電性有效降低陽極表面電阻，使其工作電壓得以長效維持在較為平穩的穩定區內，以相對更為積極、可靠之手段延長陽極使用壽命。
依據上述技術特徵，所述該鉑系金屬係係選自由釕、鉑、鈀、鋨、銥及銠所組成的群組中的至少一種。
依據上述技術特徵，所述該閥金屬氧化物係選自由鈦、鉭、鈮、鋯、鉬、鋁、鉿及鎢之氧化物所組成的群組中的至少一種。
依據上述技術特徵，所述該奈米碳材料之尺寸範圍係10nm至10μm。
依據上述技術特徵，所述該奈米碳材料係選自由奈米碳顆粒、奈米碳管、石墨烯、碳六十及碳七十所組成的群組中的至少一種。
依據上述技術特徵，所述該溶劑係為酒精。
依據上述技術特徵，所述該鉑系金屬或其氧化物係為氧化銥，該閥金屬氧化物係為五氧化二鉭，該奈米碳材料係為奈米碳管。
依據上述技術特徵，所述該觸媒塗料，係於溶劑中混合預先設定重量份比例的氧化銥(IrO 2)、五氧化二鉭(Ta 2O 5)及奈米碳管。
依據上述技術特徵，所述該觸媒塗料，係於溶劑中混合預先設定重量份比例的氧化銥(IrO 2)、五氧化二鉭(Ta 2O 5)及奈米碳管；該氧化銥(IrO 2)、該五氧化二鉭(Ta 2O 5)及該奈米碳管之重量份比例依序為50.73: 46.47 : 2.8。
依據上述技術特徵，所述該觸媒塗料，係於溶劑中混合預先設定重量份比例的氧化銥(IrO 2)、五氧化二鉭(Ta 2O 5)及奈米碳管；該氧化銥(IrO 2)、該五氧化二鉭(Ta 2O 5)及該奈米碳管之重量份比例依序為51.5：31.5：17。
本發明另揭露一種可有效延長使用壽命的陽極，該陽極至少包含一基材及一觸媒塗層，其中該觸媒塗層係披覆於該基材之一表面，且該觸媒塗層至少包含該奈米碳材料。
依據上述技術特徵，所述該觸媒塗層更包含一鉑系金屬或其氧化物，以及一閥金屬氧化物。
依據上述技術特徵，所述該陽極係更包含一頂塗層且該頂塗層係披覆於該觸媒塗層之非與該基材接觸的表面。
依據上述技術特徵，所述該陽極係於該觸媒塗層之表面披覆一頂塗層；該頂塗層係包含選自由閥金屬氧化物、錫氧化物及尖晶石型氧化物所組成的群組中的至少一種。
依據上述技術特徵，所述該頂塗層係為閥金屬氧化物。
依據上述技術特徵，所述該陽極之基材係為閥金屬基材。
依據上述技術特徵，所述該陽極之基材係為鈦基材。
依據上述技術特徵，所述該陽極之基材係為鈦合金基材。
依據上述技術特徵，所述該陽極之基材係預先加工成網板狀。
依據上述技術特徵，所述該陽極之基材係預先加工成桿狀。
依據上述技術特徵，所述該陽極之基材係預先加工成釘狀。
本發明所揭露之觸媒塗料，基本上係於溶劑中混合預先設定重量份之奈米碳材料；或者將預先設定重量份比例的鉑系金屬材料或其氧化物、閥金屬氧化物、奈米碳材料混合於溶劑中組成可應用於陽極之觸媒塗料；將該觸媒塗料塗佈於陽極之基材表面後，接著使大部份或全部溶劑揮發後，例如經熱處理定型或燒結，可於陽極之基材表面形成可使陽極具有高度電化學活性的觸媒塗層；尤其，透過奈米碳材料表現出良好的導電性，有效降低陽極表面電阻，使其工作電壓得以長效維持在較為平穩的穩定區內，以相對更為積極、可靠之手段延長陽極使用壽命。
本發明主要提供一種可有效延長陽極使用壽命之觸媒塗料以及使用其之陽極，本發明之觸媒塗料，基本上係於溶劑中混合預先設定重量份之奈米碳材料；或者係於溶劑中混合預先設定重量份比例的鉑系金屬材料或其氧化物、閥金屬氧化物以及奈米碳材料。
於實施時，所述該鉑系金屬係選自由釕、鉑、鈀、鋨、銥及銠所組成的群組中的至少一種；所述該閥金屬氧化物係選自由鈦、鉭、鈮、鋯、鉬、鋁、鉿及鎢之氧化物所組成的群組中的至少一種；所述該奈米碳材料係選自由奈米碳顆粒、奈米碳管、石墨烯、碳六十及碳七十所組成的群組中的至少一種；至於，該溶劑則係可以為酒精。該奈米碳材料之尺寸範圍係可為10nm至10μm。
本發明之觸媒塗料在一實施型態下，係於溶劑中混合預先設定重量份之奈米碳材料。
本發明之觸媒塗料在又一實施型態下，係於溶劑中混合預先設定重量份比例的氧化銥(IrO 2)、五氧化二鉭(Ta 2O 5)及奈米碳管；於實施時，氧化銥(IrO 2)、五氧化二鉭(Ta 2O 5)及奈米碳管之重量份比例係可以依序為50.73: 46.47 : 2.8或51.5：31.5：17；其中，氧化銥(IrO 2)、五氧化二鉭(Ta 2O 5)及奈米碳管之重量份比例又依序以51.5：31.5：17為佳。
原則上，本發明之觸媒塗料於使用時，係可塗佈於陽極之基材表面，經熱處理定型成為披覆於陽極之基材表面的觸媒塗層，除可使陽極具有高度電化學活性，藉以提高製程的整體能量效率之外，更可由奈米碳材料表現出良好的導電性有效降低陽極表面電阻，使其工作電壓得以長效維持在較為平穩的穩定區內，以相對更為積極、可靠之手段延長陽極使用壽命。
如第1圖及第2圖所示，本發明另揭露一種可有效延長使用壽命的陽極10，該陽極10係於一基材11之一表面塗佈或披覆一由本發明上述任一種可能實施型態之該觸媒塗料於該陽極10之該基材11之表面後，接著使大部份或全部溶劑揮發後，例如經熱處理定型或燒結，可於該陽極10之該基材11之表面形成可使陽極10具有高度電化學活性的一觸媒塗層12；於實施時，所述該陽極10之該基材11係可以為閥金屬基材，在一較佳可行之實施例中，該陽極10之該基材11係為鈦或其合金。
亦即，本發明之該陽極10在一較佳可行之實施結構型態下，係於一由鈦或其合金加工製成的該基材11表面披覆一由該觸媒塗料經熱處理定型的該觸媒塗層12，該觸媒塗料係於溶劑中混合預先設定重量份比例依序為51.5：31.5：17的氧化銥(IrO 2)、五氧化二鉭(Ta 2O 5)及奈米碳管。
亦即，本發明之該陽極10之該觸媒塗層12至少包含奈米碳材料。或者，本發明之該陽極10之該觸媒塗層12至少包含鉑系金屬或其氧化物、閥金屬氧化物以及奈米碳材料。
由於本發明之陽極10所使用的觸媒塗料係添加有預先設定重量份比例的奈米碳材料，因此奈米碳材料表現出良好的導電性，有效降低陽極表面電阻，如第3圖所示，係為陽極上是否有添加適量的奈米碳材料之老化圖形；其中，被橢圓形符號所標記的曲線係為未添加奈米碳材料的陽極，可以發現在未添加奈米碳材料的陽極它的電壓堆著時間而緩慢上升，而無法維持一開始的電流密度，這也就表示了其陽極鈍化嚴重或塗層開始剝離造成電阻變大而無法維持一定的電流密度。
第3圖中被圓形符號所標記的曲線即為本發明中使用本發明添加有奈米碳材料(CNT)觸媒塗料之陽極，可以發現它的電壓較為平穩為一般所說的穩定區內，當未添加奈米碳材料的陽極失效時有添加奈米碳材料的陽極電壓還維持一定並未失效。
請同時配合參照第4圖及第5圖所示，在老化實驗前(如第4圖所示)，被圓形符號所標記之本發明中使用本發明添加有奈米碳材料(CNT)觸媒塗料之陽極循環伏安圖形，係略大被橢圓形符號所標記之未添加奈米碳材料的陽極循環伏安圖形，證明本發明中使用本發明添加有奈米碳材料(CNT)觸媒塗料之陽極活性大於未添加奈米碳材料的陽極。
以及，在老化實驗後(如第5圖所示)，被圓形符號所標記之本發明中使用本發明添加有奈米碳材料(CNT)觸媒塗料之陽極循環伏安圖形則還維持一定的大小，至於被橢圓形符號所標記之未添加奈米碳材料的陽極循環伏安圖形有著顯著的差異(其圖形明顯變小)，更證明未添加奈米碳材料的陽極活性變小了，亦說明了未添加奈米碳材料的陽極在第3圖中電阻變大的原因。
在第1圖所示之實施例中，所述該陽極10之該基材11係可預先加工成網板狀；於不同之應用型態下，所述該陽極10之該基材11亦可預先加工成如第6圖所示之桿狀，或者預先加工成如第7圖所示之釘狀。
尤其，本發明之陽極10在上揭各種可能實施之結構型態下，係可如第2圖所示，進一步於該觸媒塗層12之非與該基材11接觸的表面披覆一頂塗層13；於實施時，所述該頂塗層13係包含選自由閥金屬氧化物、錫氧化物及尖晶石型氧化物所組成的群組中的至少一種；同樣的，在所述該頂塗層13係為閥金屬氧化物塗層之實施型態下，該閥金屬氧化物係選自由鈦、鉭、鈮、鋯、鉬、鋁、鉿及鎢之氧化物所組成的群組中的至少一種。
與傳統習用技術相較，本發明主要將於溶劑中混合預先設定重量份之奈米碳材料組成可應用於陽極之觸媒塗料；或者將預先設定重量份比例的鉑系金屬材料或其氧化物、閥金屬氧化物、奈米碳材料混合於溶劑中組成可應用於陽極之觸媒塗料；經熱處理定型後，大部份或全部溶劑揮發，則可於陽極之基材之表面形成可使陽極具有高度電化學活性的觸媒塗層。亦即，本發明之陽極之觸媒塗層至少包含奈米碳材料；或者，本發明之陽極之觸媒塗層至少包含鉑系金屬或其氧化物、閥金屬氧化物以及奈米碳材料。尤其，透過奈米碳材料表現出良好的導電性，有效降低陽極表面電阻，使其工作電壓得以長效維持在較為平穩的穩定區內，以相對更為積極、可靠之手段延長陽極使用壽命。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
10‧‧‧陽極
11‧‧‧基材
12‧‧‧觸媒塗層
13‧‧‧頂塗層
第1圖係為本發明第一實施例之陽極外觀結構圖。 第2圖係為本發明一較佳實施例之陽極局部結構剖視圖。 第3圖係為使用本發明添加有奈米碳材料(CNT)觸媒塗料之陽極與習有使用未添加奈米碳材料(CNT)觸媒塗料之陽極之老化圖形。 第4圖係為使用本發明添加有奈米碳材料(CNT)觸媒塗料之陽極與習有使用未添加奈米碳材料(CNT)觸媒塗料之陽極進行老化實驗前的循環伏安圖。 第5圖係為使用本發明添加有奈米碳材料(CNT)觸媒塗料之陽極與習有使用未添加奈米碳材料(CNT)觸媒塗料之陽極進行老化實驗後的循環伏安圖。 第6圖係為本發明第二實施例之陽極外觀結構圖。 第7圖係為本發明第三實施例之陽極外觀結構圖。
10‧‧‧陽極
11‧‧‧基材
12‧‧‧觸媒塗層
13‧‧‧頂塗層

Claims (21)

  1. 一種觸媒塗料，至少包含一溶劑、一鉑系金屬或其氧化物、一閥金屬氧化物及一奈米碳材料；其中，該鉑系金屬或其氧化物係為氧化銥，該閥金屬氧化物係為五氧化二鉭，該奈米碳材料係為奈米碳管。
  2. 如請求項1所述之觸媒塗料，其中該鉑系金屬係選自由釕、鉑、鈀、鋨、銥及銠所組成的群組中的至少一種。
  3. 如請求項1所述之觸媒塗料，其中，該閥金屬氧化物係選自由鈦、鉭、鈮、鋯、鉬、鋁、鉿及鎢之氧化物所組成的群組中的至少一種。
  4. 如請求項1所述之觸媒塗料，其中，該奈米碳材料係選自由奈米碳顆粒、奈米碳管、石墨烯、碳六十及碳七十所組成的群組中的至少一種。
  5. 如請求項4所述之觸媒塗料，其中，該奈米碳材料之尺寸範圍係10nm至10μm。
  6. 如請求項1所述之觸媒塗料，其中，該溶劑係為酒精。
  7. 如請求項1所述之觸媒塗料，其中，該氧化銥、該五氧化二鉭及該奈米碳管之重量份比例依序為50.73：46.47：2.8。
  8. 如請求項1所述之觸媒塗料，其中，該氧化銥、該五氧化二鉭及該奈米碳管之重量份比例依序為51.5：31.5：17。
  9. 一種陽極，至少包含一基材及一觸媒塗層，其中該觸媒塗層係披覆於該基材之一表面，且該觸媒塗層至少包含一奈米碳材料；其中， 更包含一頂塗層且該頂塗層係披覆於該觸媒塗層之非與該基材接觸的表面。
  10. 如請求項9所述之陽極，其中，該奈米碳材料係選自由奈米碳顆粒、奈米碳管、石墨烯、碳六十及碳七十所組成的群組中的至少一種。
  11. 如請求項9所述之陽極，其中，該奈米碳材料之尺寸範圍係10nm至10μm。
  12. 如請求項9所述之陽極，其中，該觸媒塗層更包含一鉑系金屬或其氧化物，以及一閥金屬氧化物。
  13. 如請求項12所述之陽極，其中，該鉑系金屬係選自由釕、鉑、鈀、鋨、銥及銠所組成的群組中的至少一種。
  14. 如請求項12所述之陽極，其中該閥金屬氧化物係選自由鈦、鉭、鈮、鋯、鉬、鋁、鉿及鎢之氧化物所組成的群組中的至少一種。
  15. 如請求項9所述之陽極，其中，該頂塗層係包含選自由閥金屬氧化物、錫氧化物及尖晶石型氧化物所組成的群組中的至少一種。
  16. 如請求項9所述之陽極，其中，該陽極之基材係為閥金屬基材。
  17. 如請求項9所述之陽極，其中，該陽極之基材係為鈦基材。
  18. 如請求項9所述之陽極，其中，該陽極之基材係為鈦合金基材。
  19. 如請求項9所述之陽極，其中，該陽極之基材係預先加工成網板狀。
  20. 如請求項9所述之陽極，其中，該陽極之基材係預先加工成桿狀。
  21. 如請求項9所述之陽極，其中，該陽極之基材係預先加工成釘狀。
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