气体扩散电极在离子膜法电解制烧碱工艺中的稳定性评价及寿命预测

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氯碱工业是通过电解制备烧碱及氯气的高能耗产业,因而开发低能耗的食盐电解技术越来越受到人们关注。其中,采用气体扩散电极的氧还原反应来替代离子膜法中的活性阴极的析氢反应,可降低理论分解电压,从而大幅度降低能耗,因而具有广阔的应用前景。尽管气体扩散电极在离子膜法食盐电解技术上取得很大进展,但是由于其在高碱、高温、高氧等恶劣工况条件下工作,对气体扩散电极的基体结构、贵金属催化剂、碳载体等都可能造成不同程度的腐蚀,使电极稳定性下降、性能衰减,因而制约着其商业化的应用。本论文针对在食盐电解工作环境下的碳基银纳米粒子复合气体扩散电极的电催化稳定性及耐久性进行了系统的研究评价。首先从电极催化材料入手,研究了电极催化剂银纳米粒子及不同碳载体在加速腐蚀的情况下的稳定性及其腐蚀机理;并考察了电极本体结构在腐蚀介质及不稳定工况条件下的稳定性及腐蚀机理;最后初步评估小型电极的使用寿命。这对延长电极使用寿命、降低电极生产成本等具有重要意义。首先通过对阳极加速腐蚀,随着极化电压的增大,银颗粒逐渐转变为薄膜态Ag20、块状Ag20、及钝化态AgO;但是活性极化的不同阳极电位加速腐蚀下,电极均保持了较好的耐久性。通过对常用炭黑载体Vulcan XC-72、其石墨化炭黑GCB及其酸化炭黑进行了阳极腐蚀分析。经过石墨化处理后的炭黑载体具有较高的导电性,且在阳极氧化过程中的氧化程度最低,因而耐腐蚀性能最好。通过对电极进行失重浸泡,Ag/C电极在长时间浸泡过程表面亲水性能越来越强。红外分析得出浸泡之后增加了更多-COO和-C=O的官能团。极化曲线测试发现氧还原极限扩散电流密度略有减小。阻抗显示浸泡过后氧还原的容抗弧增大,电荷转移电阻增大,从而使氧还原效率下降。通过模拟多次停车逆电不稳定工况,发现电极催化层被严重刻蚀,电极催化层颗粒粒径也发生了明显增大,使电极稳定性明显下降,极大的减小了电极的结构寿命。通过氧气浓度的变化,对电极进行结构失效寿命评价,拟合结果达到了5.1年。并且通过对电极进行电催化剂寿命失活稳定性测试,电催化剂寿命失活的年数为5.4年。表明电催化剂耐高温高碱高氧的稳定性及耐久性表现良好。
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