比较与研究应用双金属铂基合金电催化剂

1、Engineering, 2011, 3, 836-841doi:10.4236/eng.2011.38102 Published Online August 2011 (http:/www.SciRP.org/journal/eng)比较与研究应用双金属铂基合金电催化剂在氯碱电解中的优势Faezeh Farzami1*, Ezzatoalah Joudaki1, Seyed Jaleldin Hashemi2伊朗阿拉克大学化学工程系石油技术大学 阿瓦兹 伊朗E-mail: Faezeh_farzamiReceived January 29, 2011; revised May 25, 201

2、1; accepted June 10, 2011摘要氧去极化在阴极中的应用，将有助于在氯碱电解中节能，为此发展最佳的高性能阴极电催化剂是必不可少的，使用双金属铂基合金的电催化剂，包括在碳的作用下铂钯和铂银在阴极氧去极化已被证明具有较高的膜性能。这项研究提出了在碳的作用下铂铷电催化剂阴极氧去极化和在碳与膜的作用下铂铷的性能比较，铂钯和铂银阴极电催化剂，采用相同的dsa-氯阳极。根据实验结果表明，有非常相似的腐蚀性电流功效在零间隙氧去极化烧碱膜中，并且是在用基pt-pd膜之间的各种因素的影响下，包括pt-ru和pt-ag的电催化剂。此外，ptpd/c电极比其他电极具有较好的表现，与ptag/c和

3、ptru/c的零间隙氯碱膜电阴极的性能。关键词； 氧去极化; 氯碱; cce; 电催化剂; 性能; 节能引言氯气作为世界上最重要的散装化学品之一，其主要的生产方式是电解盐水，氯不仅仅用于我们每天的生活中，而且也是化工生产中重要的组成部分，它能参与无数反应中，并主要应用于塑料，制药，无机，精细化工和特种行业等产品中，因此氯气的生产能力被视为衡量一个国家的化工行业发展状态的指标，生产氯气是一个能量消耗很大的过程，每生产一吨氯气就要消耗掉大约2100-3300千瓦时电能，并且还取决于生产进程的参数和类型，生产过程主要有三种途径，汞电解，隔膜和离子膜法，离子膜法是近来比较先进的技术，它能减少对环境的污

4、染和电力的消耗，尽管由于离子交换膜的出现，替代了不洁净的汞电解，而且整体的能耗强度已经减少了许多，但能源消耗仍然是一个主要的问题 ca膜细胞中的阴极氧去极化取代了传统的阴极氢演变，这样降低了膜电压，因此大约节约了30%的能源消耗，减少了二氧化碳的排放量，使全球环境得以改善，传统和现行的离子膜制氯碱法其主要的区别是能源消耗量的不同，其初级能量可以用来发电，另一个区别是氢的生成与传统的阴极氢相比，阴极氧去极化比离子膜值氯碱法更有优势。在传统离子膜制氯碱工业中废氢的再利用最近以变的非常广泛，燃料膜法仅可以再利用大约50%的洁净氢能，而其代价是消耗大量的不洁净能源。此外，安装燃料电池堆是转换成另一种形

5、式的资本投资，因此，现有的传统氢燃料氯碱电解法永远无法和阴极氧去极化相竞争图1。传统和现行的氯碱工业二氧化碳的排放量对比图2 阴极氧去极化原理氯碱膜法先进的关键因素是阴极氧去极化，阴极氧去极化旨在促进氧的活性，在三相边界的阴极电催化剂颗粒（气液固），以有效的减少氧气，由于氧饱和的苛刻条件，并集中烧碱的氯碱离子膜媒介于电解槽，阴极氧去极化更容易受到比常规氢阴极更大的性能损失。另一种在氯碱膜的阴极氧去极化更容易受到过氧化稳定的影响，然而，过氧化最终分解到氢其中没有能量损耗的作用，但是过氧化阴极稳定性和烧碱处理问题上有潜在的不良影响，是一个棘手的副产品，不同的材料具有不同的结构，其中的一些材料也许可

6、用于建造氧去极化的阴极，电催化剂带来的影响是较高的活性，在较低的膜电压下，在一段时间内阴极氧去极化受到电压的影响是很重要的。经常使用的氧气去极化催化剂如铂，银，碳基或纯金属，采用铂金由于成本高，需要不同的技术，如新开发的铂基合金的电催剂发有效的减少了铂金的使用量，两种不同的金属元素组合的合金的电催化剂比制现行的单金属有更广阔的发展前景，其最主要的原因可能是催化剂活性的提高，铂基合金电催化剂，包括铂钯和铂银阴极氧去极化在已经有在氯碱工业中应用的报道。在这项研究中，试图证明碳基阴极氧去极化可以用于铂铷电催化剂，其比较了碳基铂钯和铂银电催化剂的阴极氧去极化的性质与电流效率。也简要介绍了铂合金阴极电催

7、化剂以及他们相关工作的筹备。2实验制备及设置2.1阴极制备所采用的阴极具有相同的结构，但具有不同的铂合金电化学反应层，气体扩散层，反应层和集电极电流阴极结构组成如图。气体扩散层，是一个非常薄的导电的多空板材，包括65%-70%的碳和35%-30%导电多孔板材，其主要构成是充分混合的碳和聚四氟乙烯粉末碳和聚四氟乙烯粉末混合导电的多空板材，挤压成片状均匀的混合物，然后展开负载在镀银镍网上，碳基铂钯和铂铷电催化剂由硼氢化钠还原法合成，碳基铂钯，铂铷，铂银电催化剂被加载到每一个阴极扩散层中，其密度分别为0.53 0.64 和0.6毫克每平方厘米，其都被作为反应层。2.2阴极性能测试实验室最终得出了零间

8、隙型模型的性质，电解室包括一个离子交换膜，它将其分为两部分，用准备好的阳极涂层钛板作为阴极氧去极化。制备的阴极使用离子交换膜电催化剂层紧密对着阴极室，在零间隙的设计中，这是整个研究中均有应用，防止水浸入烧碱溶液，有助于减少过氧化氢的形成和电压的降低，在卤水电解过程中，阳极液被不断送入阳极室加热，阳极室连接数字温度计，时刻监测其温度。此外，阳极液的循环量，控制着阳极室的ph值，阳极和阴极的间隔，使反应分离和再循环而不至于反应停止，在一个大气压下预加热加湿氧气作为阴极室的原料，使膜电流保持恒定，不间断测量膜电压3.1阴极表征研究双金属铂基合金电催化剂的阴极所使用的是飞利浦有限公司所生产的XL30型

9、电子扫描显微镜图3。电子显微镜扫描 (SEM)的图阴极表面;(a)PtRu,(b)PtPd,electrocatalysts。图4。接触角 90;聚四氟乙烯/碳负极成分:(a)和(b)的35/65的30/70图5。电池性能(CCE(%)与单元温度, 不同的PtRu / C,PtPd / C和PtAg / C electrocatalysts氧 depolarized阴极和阳极DSA-Cl2相同。(盐水浓度:230 g / l,Anolyte pH值:2.5,氧气流速度:500立方厘米/分钟,电流密度:2卡/ m2,Anolyte流速度:350立方厘米/分钟)。图7。电池性能(CCE %)与氧气

10、流量- oxygen-depolarized阴极制作PtRu / C,PtPd / C 和PtAg / C electrocatalysts和相同的DSA-Cl2阳极。(电流密度:2卡/ m2,温度:80C,氧气流量:700立方厘米/分钟,Anolyte pH值:2.5,Anolyte流率: 350立方厘米/分钟)。图8。电池性能(CCE(%)与盐水浓度 oxygen-depolarized阴极制作PtRu / C, PtPd / C和PtAg / C electrocatalysts和相同的DSA-Cl2 阳极。(盐水浓度:250 g / l,温度:70C, 电流密度:2卡/ m2,Anol

11、yte pH值:2.5,Anolyte流速度:350立方厘米/分钟电子显微镜下的阴极表面所负载的双金属铂基合金电催化剂显现出完全不同的颗粒尺寸，分散液相对均匀，可能的原因是其负载的方式。阴极氧去极化必须有足够的疏水性，以防止电催化剂对阴极孔的入侵，所以要防止电极的水浸。疏水性的判断是通过水的接触角的测量结果来判断的，如图4所示，疏水性表面有水的接触角大约九十度，正如预期，结果表明，在阴极表面作为阴极ptfe碳成分的变化同时，水的接触角度也在变化，从三十度到七十度，一般来说，双金属铂基合金的阴极具有较高的导电性，足够的疏水性和机械强度。电解槽所消耗的总能量与反应产生的电流是成正比的，以及氯碱电池

12、电流的效率，因此根据节中的描述过程，列出以下计算公式。铂钯阴极电催化剂层的温度上升的毕铂银电催化剂快，铂钯碳正极电池显示了cce膜的最低温度在九十度，这一结果表明，使用铂钯碳作为阴极其在反应进程中产生的温度对膜的影响小于其他膜。对阳极膜ph值的影响如图六所示，结果表明，cce的卤水酸度下降（即增加阳极液的ph值）实验所示，这是可能发生的，卤水的ph值增加从而增加了膜对离子的传递，因此降低膜的阻力和烧碱液 的浓度，其结果是膜上的cce减少。cce的氧气流率减少可能是与高氧流量致使阴极孔减少有关，当使用铂铷碳电催化剂的时候，铂钯和铂银碳电催化剂的电池其相应的结果如图七所示，由图可见，氧气流量的增高

13、提高了cce的活性。结果表明，铂钯碳正极cce在低氧气流量的时候高于其他阴极膜氧还原反应是一个复杂的过程，涉及四个耦合的质子和电子转移的步骤，可供选择的有多种反应途径，他们都涉及到到中间反应的几个基本步骤。要确定反应的确切顺序九必须确定其所有的反应步骤，还有中间的反应动力学参数，这显然是具有一定困难的，ho2离子的形成相对稳定，但是他很容易在碱性电解质的杨还原反应中消失，很容易转换成二氧化碳，虽然目前没有确切上的反应序列，但是直接将两个四电子过氧化到碱性介质中的地方时目前的主要途径。铂是最常用的和比较活泼的杨还原反应铂族金属催化剂，在碱性介质中减少四个电子的过程，研究表明波及合金比纯铂具有较高

14、的活性和稳定性，改进型的铂合金催化剂活性九解释了这一现象，如，铂电极长度的减少有助于氧的媳妇，降低铂轨道的电子密度有助于表面层的氧化，吸附在铂钯电极上的离子增强了电极的反应活性，抑制了其他物质在碱性介质中氧的产生，研究还发现铂膜对各种金属材料，如银 钯 钌已经接近d轨道的中心，铂钯是在以确定的氧还原反应中表现出较高活性的一种催化剂氯碱膜阴极氧去极化膜的使用在商业进展上十分困难，阴极阳去极化的主要缺点是氯碱膜在苛刻条件下的表现，使用碳基双金属铂铷电催化剂的表现已经有了明显的提高，包括铂铷 铂钯 铂银的碳基双金属铂基合金电催化剂，其与传统的膜电解法相比已经有了明显的优势，相信在今后的发展当中双金属

15、催化剂的普及也势必会有更远的发展。840所有反应的确切顺序还不为人之, 想要准确的确定中级反应的动力学参数是必要的,但这显然是一项具有挑战性的工作. 相对稳定的HO2离子形成可能停止在碱性电解质中的氧还原反应.并且会很容易的转变成为二氧化碳 尽管人们并没有对反应的序列达成确切的共识,但两个总体通路可能发生在碱性媒介上. 19:O2 + 2H2O+4e4OH- (2)2 2 2 O + 2H O+2eOH- + HO- (3)2 2 HO- + 2H O+ 2e3OH- (4)生成过氧化氢也可能进行如下的分解反应2 2 2HO- 2OH- +O (5)铂金是最常用的在氧化还原反应中的一种催化剂活

16、性组分,以及所有的铂基集团.金属减少在碱性媒介中直接进入电解的过程.阴极铂合金的研究和一般表现出较高的活性和稳定性,相对于铂来说 解释增强型的铂基电催化剂活性,如铂铂电极长度的减少,有利于氧的吸附,2)铂5d轨道的点子密度3)表面氧化层增强的氧还原反应活性在玻璃纸/钯作为效率更强的氧气吸附在铂的表面,用于其他离子一直氧在碱性的媒介性质.检查铂层在跟中金属基础(如银,铂电极俄罗斯)已经接近你最佳的效果.图6。电池性能(CCE %)与anolyte pH-oxygen - depolarized阴极制作PtRu / C,PtPd / C 和PtAg / C electrocatalysts和相同的

17、DSA-Cl2阳极。(盐水浓度:210 g / l,温度:75C,氧气流量:500立方厘米/分钟,电流密度:2卡/ m2,Anolyte 流量:350立方厘米/分钟)。图9。电池性能(CCE(%)与电流密度- oxygen-depolarized阴极制作PtRu / C, PtPd / C和PtAg / C electrocatalysts和相同的DSA-Cl2 阳极。(盐水浓度:270 g / l,温度:80C, 氧气流量:800立方厘米/分钟,Anolyte pH值:3,Anolyte 流量:350立方厘米/分钟)。4. 总结将氯碱工业中的阴极膜电解法应用在商业中尚还存在一些困难. 阴极膜

18、电解法的主要缺点是在较为恶劣的条件下其性能会有较大的损失. 使用双金属铂基合金在阴极氧去极化中对与提高氯碱电解的效率有较为明显的改善.在氯碱工业中对于双金属铂基合金电催化剂包括铂铷,铂钯,钯银碳基在阴极氧去极化中的应用. 在cce膜阴极氧去极化中和铂铷与铂钯双金属铂基电催化剂中,有很多相似的效应.所以从这些反应中看来双金属铂基电催化剂在氯碱工业中的应用有着非常广阔的前景和发展5. 参考文献1 N. Furuya and H. Aikawa, “Comparative Study of OxygenCathode Loaded with Ag and Pt Catalysts inChlor-A

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