蔣國祥,雷霆, ,楊長江, *,李書芳
(1.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院,云南 昆明 650093;2.昆明冶金高等??茖W(xué)校,云南 昆明 650033;3.云南冶金集團股份有限公司,云南 昆明 650051;4.河南中煙許昌卷煙廠,河南 許昌 461000)
陽極析氧是一個重要的電化學(xué)反應(yīng),常用于冶金電積、水電解制氫、電鍍、電合成等領(lǐng)域[1-4]。目前全球冶金行業(yè)中85%左右的鋅[5]、20%左右的銅[6],部分鎳、鈷、錳、鉻[7]都通過濕法電積提取。金屬電積過程中,陽極過電位造成的電耗占工藝總能耗比值較大。據(jù)報道,鋅電積陽極析氧過電位(約0.8 V)產(chǎn)生的能耗占電積工序總能耗的20%~25%[8-9];電積銅陽極過電位(0.6 V 左右)約為槽電壓的1/3[10]。電積工藝中所使用的陽極不僅關(guān)系到節(jié)能減排,而且影響陰極金屬產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)上,陽極一般應(yīng)滿足以下要求[11-12]:導(dǎo)電性好;耐腐蝕且電化學(xué)性能穩(wěn)定;機械強度高、易加工;析氧電位低,對電極反應(yīng)有良好的催化活性;價格便宜,使用壽命長。
工業(yè)電積一般用鉛合金作陽極,因其價格低廉、易加工成型、在硫酸溶液中的電化學(xué)性能較穩(wěn)定,如鋅電積一般用Pb–Ag(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%~1.0%)陽極[13-14],銅電積則采用Pb–Sb、Pb–Ca–Sn[15]陽極。但鉛合金陽極在生產(chǎn)中存在諸多缺陷,主要有:析氧電位高,陽極鉛的腐蝕溶解對陰極產(chǎn)品造成污染(電積液Cl?含量較高時情況較嚴(yán)重),密度大,強度低,易變形而造成短路等[13,16-17]。Pb–Ag 陽極還需耗費大量Ag,成本較高。為此冶金行業(yè)多年來致力于研發(fā)高強度、耐腐蝕、導(dǎo)電性好、析氧電位低、價格便宜、壽命長的新型節(jié)能陽極材料。
目前,陽極材料的研制主要從以下三方面展開:
(1)鉛陽極改良,即通過合金化、表面改性或其他方式對其進(jìn)行改良。
(2)采用非鉛金屬基陽極,如鈦基、鋁基、不銹鋼基和鎳基等陽極。
(3)用導(dǎo)電有機聚合物作陽極材料。
合金化改進(jìn)傳統(tǒng)鉛合金陽極主要從減少Ag 用量和鉛的腐蝕溶解,降低析氧電位,提高機械強度等方面考慮;許多研究者在這方面進(jìn)行了嘗試,研發(fā)了Pb–Sb、Pb–Ca、Pb–Sr、Pb–Bi、Pb–Co 等二元陽極,Pb–Ag–Ca、Pb–Ag–Sn、Pb–Ag–Bi、Pb–Ag–Sb、Pb–Sr–Ag、Pb–Ag–Nd、Pb–Ag–Al 等三元陽極,此外還有諸如Pb–Ag–Ca–Sn、Pb–Ag–Sb–Ca、Pb–Ag–Sn–Co、Pb–Ag–Ca–Sr、Pb–Ca–Sn–Al、Pb–Ca–Sn–Co 等四元合金陽極[18-24]。I.Ivanov 等[25]根據(jù)合金元素對鉛陽極的大致影響,將其分為三類:第一類合金元素可提高陽極析氧催化活性,有效降低Pb 腐蝕,這些元素主要包括Ag、Co、Pt、Ni 等;第二類合金元素如Ti、In、Sn、Bi 和Sb 等對陽極微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生積極影響,決定陽極表層所形成的PbO2晶型;第三類合金元素會影響鉛熔體的冷卻結(jié)晶狀況,適量添加此類元素可改善陽極耐腐蝕性和機械強度,其以Li、Ca 等堿金屬、堿土金屬元素為代表。某些合金元素對鉛陽極的具體影響目前尚無定論。以Ca 為例,M.E.Schlesinger 等[26]認(rèn)為,Pb–Sn–Ca 中加入Ca 可提高陽極機械強度、降低陽極析氧電位,W.Zhang 等[27]研究表明,Pb–Ag 陽極中Ca的添加抑制了Pb 溶解,同時Ca 促使陽極表層α-PbO2向β-PbO2轉(zhuǎn)變,L.Albert 等[28]發(fā)現(xiàn),加入過量Ca 會降低鉛陽極的耐蝕性。目前有關(guān)Bi 對陽極具體影響方面的爭論還比較大。W.S.Li 等[29]制備了Pb–Bi 陽極,發(fā)現(xiàn)與純鉛相比,即便加入高達(dá)7.33%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Bi 也只能使析氧電位降低30 mV,認(rèn)為Bi 對陽極的影響并不大。而衷水平等[30]在研究Pb–Ag–Bi 中Bi 的作用時,發(fā)現(xiàn)添加Bi 有助于降低陽極析氧電位,Bi 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時,陽極電位降低60~80 mV。
I.Ivanov 等[17]認(rèn)為,含Ag、Co 的多元鉛合金陽極最具研發(fā)前景,其耐腐蝕且析氧電位較低。S.Rashkov 等[13]對比研究了Pb–Ag 和Pb–Co 合金的耐腐蝕性,結(jié)果表明,Pb–Co(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.75%)的耐腐蝕性與Pb–Ag(1.00%)相等,3.00% Co 可使陽極電位降低0.08~0.10 V,效果與Pb–Ag(1.00%)合金相同。T.Nguyen 等[31]研究認(rèn)為,Co 通過改變陽極表面微觀結(jié)構(gòu)來提高耐腐蝕性。一些研究者認(rèn)為,Co 使陽極表面氧化層析氧機理發(fā)生重大改變,但含Co 鉛陽極中的Co 很可能溶入電積液,引起陰極燒板而對電積過程產(chǎn)生不利影響[24,32]。
鉛基復(fù)合陽極的基底為純鉛或鉛合金,表面施加具有催化活性的鍍層,如將涂覆RuO2的海綿鈦顆粒嵌壓入鉛合金中制備Pb/RuO2陽極[33],貴金屬氧化物作表層材料具有良好的析氧催化活性。賴延清等[34-36]用γ-MnO2粉末顆粒通過復(fù)合電沉積制備Pb/Pb–MnO2復(fù)合陽極,研究顯示,其在硫酸體系中的析氧活性和耐腐蝕性較純鉛有明顯改善。S.Schmachtel 等[37]將Pb 粉與不同方法(化學(xué)合成法CMD、電解制備法EMD 等)合成及含量不同的MnO2粉末壓片成型,30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))γ-CMD 型MnO2具有較好的析氧性能,其析氧電位較鉛陽極下降0.25 V 左右。M.J.Barmi 等[38]在Pb–Ca–Sn 陽極上分別電沉積Pb–Co 和Pb–Co3O4復(fù)合鍍層,研究表明,這兩種復(fù)合陽極的析氧性能較Pb–Ca–Sn 更佳。
鉛基/有機復(fù)合材料陽極的研究近年也有報道。A.Alfantazi 等[39]研究了2 種有機[聚苯胺和聚3,4,5?三氟苯基噻吩(TFPT)]復(fù)合Pb–Ag 陽極在銅電積中的性能,結(jié)果表明,襯有TFPT 的鉛銀陽極性能優(yōu)異。Pb–Ag(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%)陽極電沉積表面復(fù)合聚吡咯后,腐蝕速率下降30%左右[40]。
目前研究的非鉛金屬基底材料有鈦基、鋁基和不銹鋼基等。制備復(fù)合表層的方法有電沉積、熱分解、噴涂、氣相沉積、溶膠–凝膠和磁控濺射等[41-43]。表層復(fù)合材料包括無機和有機材料兩種,無機材料大致可分為貴金屬(Pt、Ag)、貴金屬氧化物(IrO2、RuO2)和賤金屬氧化物(MnO2、PbO2、Co3O4等)3 種[44];有機材料有聚吡咯[40]、聚苯胺[45]和聚3,4,5?三氟苯基噻吩[39]等導(dǎo)電聚合物。
鈦基復(fù)合陽極是金屬基復(fù)合陽極的研究熱點,最早用于氯堿工業(yè),因鈦基板強度高、尺寸穩(wěn)定、不易變形,故稱為尺寸穩(wěn)定陽極(Dimensionally Stable Anodes),簡稱DSA[46-47]。
鈦基復(fù)合陽極的研究較多,即用各種方法(一般用熱分解法)在鈦板、鈦網(wǎng)上制備復(fù)合表層。對比研究鋅電積液中鉛基陽極與Ti/Pt–IrO2、Ti/RuO2、Ti/Pt–IrO2–MnO2、Ti/Pt–IrO2–PbO2、Ti/Pt–IrO2–RuO2、Ti/MnO2、Ti/RuO2–MnO2和Ti/PbO2的性能,發(fā)現(xiàn)襯有Pt、IrO2和RuO2的鈦基陽極能耗低、電流效率較高[48]。Z.S.Msindo 等[49]認(rèn)為,Ti/IrO2(原子分?jǐn)?shù) 70%)–Ta2O5(30%)是酸性介質(zhì)中最理想的析氧陽極。潘建躍等[43]用磁控濺射法制備了表層晶粒尺寸小于51 nm的Ti/Pt 陽極,在H2SO4溶液中析氧電位與電鍍制備的Ti/Pt 陽極相近。為進(jìn)一步降低復(fù)合表層的制備成本,可將貴金屬氧化物和賤金屬氧化物配合起來制備多元氧化物復(fù)合表層如 RuO2–PbOx、Ru0.8Co0.2O2?x、Ru1?xNixO2?y、IrO2–MnO2等[50-53]。一些研究者用賤金屬氧化物PbO2[54]和導(dǎo)電聚合物聚苯胺[45]制備復(fù)合表層。由于鈦基陽極表層存在裂縫等缺陷,隨電積進(jìn)行,復(fù)合表層材料脫落,基底Ti 氧化形成氧化膜,陽極電位升高、穩(wěn)定性下降[55-56]。為避免上述問題,采用熱分解、磁控濺射等技術(shù)在鈦基體和表層間增加中間層[57-59],可以提高表層與基底之間的結(jié)合力,緩和表層電解畸變。A.N.Nikoloski 等[60]分別在鈦基上制備PbO2–CoOx和PbO2–Co3O4復(fù)合表層,效果良好。
基于納米結(jié)構(gòu)具有較高表面能和催化活性,本課題組[61]在鈦基上電沉積制備了具有納米線陣列形貌的PbO2陽極,并探討了此種陽極的電化學(xué)行為。
鋁基陽極,如Al/Pb–WC–ZrO2–Ag[62]和Al/Pb–WC–CeO2[63]復(fù)合陽極等均具有良好的催化活性。R.D.Xu 等[64-65]通過雙脈沖電沉積制備了Al/Pb–PANI–WC復(fù)合陽極,該陽極具有析氧催化活性和耐腐蝕性良好、成分和結(jié)構(gòu)更均勻等優(yōu)點。張永春等[66]采用甲基磺酸鍍液電沉積制備了Al/Pb–0.23%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Ag 陽極,其耐腐蝕性和電催化活性較傳統(tǒng)的Pb–0.25%Ag 陽極更好。為提高復(fù)合表層穩(wěn)定性,關(guān)永永等[67]先采用雙脈沖電沉積制備含Pb 中間層,再采用單脈沖電沉積法在Al/Pb 上制得α-PbO2表層,制備的陽極在鋅電積液中的析氧效果較理想。陳步明[68]對比研究了Al/α-PbO2–CeO2–TiO2表面 β-PbO2–WC–ZrO2和 β-PbO2–MnO2–WC–ZrO2兩種復(fù)合層的性能,結(jié)果表明,前者在硫酸介質(zhì)中的催化活性良好且更耐腐蝕。
有關(guān)不銹鋼基陽極的報道較少。在不銹鋼基表面電沉積制備PbO2/PbO2–CeO2/PbO2–CeO2–ZrO2[69]、PbO2/PbO2–CeO2[70]和PbO2–WC–ZrO2[71]復(fù)合鍍層陽極都能降低鋅電積槽電壓和提高電流效率。杜重麟等[72]考察了溫度和電流密度對不銹鋼基PbO2陽極析氧性能的影響。
Y.Q.Lai 等[73-75]利用反重力滲流鑄造法制備了孔隙率達(dá)60%以上的多孔陽極,與平板鉛銀陽極相比,其質(zhì)量減小60%,腐蝕速率和電積槽電壓都有所下降,陰極產(chǎn)品的含鉛量減少。他們還通過冶金法把鉛合金板與多孔鉛銀合金層以面與面的形式復(fù)合在一起得到另一種新型多孔節(jié)能陽極[76]。與傳統(tǒng)Pb 陽極相比,上述多孔陽極可分別使陽極電位降低90 mV 和60 mV。
李發(fā)闖[10]通過原位聚合法和模壓成型制得PANI/Co3O4陽極,由于Co3O4使PANI 鏈電荷離域化作用增強,復(fù)合材料導(dǎo)電性提高,陽極催化活性良好、電化學(xué)性能穩(wěn)定,在銅電積中槽電壓下降0.26~0.36 V,節(jié)能13.92%~19.27%。
傳統(tǒng)鉛合金陽極在工業(yè)上的應(yīng)用已經(jīng)很成熟,鉛合金陽極仍將在硫酸體系析氧方面占主導(dǎo)地位。對其進(jìn)行合金化改進(jìn),仍擺脫不了陽極鉛腐蝕溶解污染陰極產(chǎn)品質(zhì)量、表面氧化膜不致密等鉛合金陽極存在的固有缺陷,其效果有限。
非鉛金屬基底復(fù)合陽極具有析氧電位低、耐腐蝕、機械強度高和密度較小等優(yōu)勢,但存在表層復(fù)合材料易脫落、電化學(xué)穩(wěn)定性較差等突出問題,這也是復(fù)合陽極實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難點,主要原因是復(fù)合表層與基底一般以機械力形式結(jié)合,使用過程中隨電解畸變應(yīng)力的產(chǎn)生,析出氧氣沖蝕,基底表層被鈍化(用閥型金屬做基底時情況甚為嚴(yán)重),生成N–P 結(jié)反向電阻[77],在一些強腐蝕性環(huán)境下表層復(fù)合材料還存在溶解的可能性。這些因素導(dǎo)致表層與基底界面電阻增大、表層復(fù)合材料脫落,進(jìn)而使陽極電化學(xué)性能變差。采用熱處理等技術(shù)制備中間層可有效提高表層與基底之間的結(jié)合力,緩解基底鈍化,減少電解應(yīng)力的產(chǎn)生和積累,但隨電積進(jìn)行,其仍會脫落,穩(wěn)定性有待改進(jìn)。同時,采用閥型金屬(如Ti、Al)作基底,還存在可焊性較差的問題,至于其他陽極還有待進(jìn)一步探究。
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