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常用的电极材料

文章出处:豆丁 人气:发表时间:2020-09-01 09:00

随着科学技术的发展,电极材料的种类不断增多,但常用的电极材料依然是下列几种:

(一)金属与合金

        金属与合金仍然目前使用最广泛的电极材料,其中金属以Ni、Fe、Pb、Pt、Hg、Ti等用的最多。有一种金属与其他金属和非金属元素组成合金可能比单一的金属具有更加优异的性能。如Pt——Rh、Pt——Au、Pt——Pd等。合金因为各元素的含量不同而据有不同的性能,因为合金的未成对电子d电子数目变化对电极材料的电催化性能有重大影响。Pt——Rh合金上分子氧的吸附覆盖度随着合金中Rh原子含量的增大而增大。此外,由于合金表面的原子组成与体内的组成不同,合金的性能也将不同。

       金属和合金除直接以块状的形式构成电极外,还可以将他们制成微小的金属颗粒,然后把它们分散在碳和其他导电基体上。如Pt是分子氧化还原的优良催化剂,但因为它的价格昂贵,使用时便使用这种负载型电极。为了增大电极的面积,可将金属电极材料制成多空结构。例如瑞尼(Rancy)锂电极就是先用化学沉淀法制的Ni——Zn合金的前躯体,然后将和金中的Zn溶解掉,便得到大面积的锂电极。

        随着科学技术的发展,原位连续沉淀的金属材料已经成为金属材料制备的一个新构想。研究表明,电极反应的选择性在新鲜形成的洁净金属表面上与在块体金属电极是不同的。如丙酮在块状的Pb或Au阴极上还原得到异丙酮然后如果在有机物的还原过程中同时进行Au沉淀,在这种新鲜形成的表面上主要产物是频那醇(四甲基乙二醇)。阴极表面的连续再生为控制表面形貌和阴极活性提供了可能。例如Au在玻碳电极上的连续沉淀获得活性高、重现性好的表面。

(二)碳材料

       碳材料在工业电化学过程中占有重要地位,在铝。氟、氯电解制备和有机电合成中用碳材料制成电极,在燃料电极中碳材料用作电催化剂的载体,化学电源中碳粉是常用的导电剂。石墨是碳元素的稳定形势它具有六方晶体的晶体结构,晶包常数a=0.2456nm,c=0.6708nm.。石墨c轴方向上的电子电导率为IS/cm(且向半导体一样,随温度的升高而增大)a轴方向上的电子电导率为10'S/cm(且向金属一样随温度的升高而减小)。石墨的结构是的它能够成为电化学嵌入反应的材料,小分子或例子可以嵌入到石墨的六方平面之间。

        大块的石墨单晶很罕见,通常用的块状石墨电极和碳糊电极都是多晶体石墨,但是利用化学气相沉淀制备的“热解碳”却具有石墨单晶的性质。所谓的“高定向热解石墨”是将普通的热解石墨在3500C下进行高压热处理得到,它具有非常确定的石墨晶体结构。在石墨实际不存在表面含氧功能团,而在凌面(与六方平面垂直)上则存在羧基、醒基或内酯等表面含氧功能团,因此石墨的表面和凌面表现出不同的电化学性质。玻碳是由聚糖醇或酚醛树脂热解制得的碳材料,与石墨不同的是,玻碳具有各向同性的导电性能和物理化学性能。碳材料的品种在不断增长,值得一提的是网状碳,已被试用作为碳极材料。

(三)金属氧化物材料

       许多金属氧化物的导电性接近于金属,RuO:MnO:PbO,NIO等氧化物已被广泛使用。RuO。是工业电解中的重要的阳极材料,具有金红石的结构,在室温下电导率为2×10——3×10'S/CM,且随温度的升高而减小。1968年H.B.Beer发明的“尺寸稳定阳极(DSA)”实在Ti金属基体上涂覆Ti0。和RuO。微金混合物形成的,这种材料适合在高电流密度下氯和氧析出反应的阳极。以往常用石墨作为氯和氧析出的阳极,由于右墨会与氯、氧反应而受腐蚀,随着电解时间延长,电解器中阳极与阴极间距不断增大,以致引起额外的欧姆电压降,而采用DSA不会发生类情况。NIO已被用于碱性溶液中水电解和有机合成。载乂恺司有尤水另外还有两大类金属氧化物备受化学界注目,即钙钛型氧化物和尖晶石型氧化物,钙钛矿型氧化物通式为ABO;,得名与于CaTi0,其氧离子和较大的金属离子A形成密堆积立方体,较小的金属离子B则占据由氧原子相排斥而形成的八面体空穴中。电催化中研究最多的钙钛矿型氧化物是钠钨青铜Na,Wo,(O<x<1),这种非化学计量比的氧化物对某些有机反应和氧原子复合具有良好的催化活性。微量Pt存在于Na,WOs中明显增强对氧气还原的催化活性。

 

(四)陶瓷电极材料

        陶瓷材料如碳化物、硼化物和氮化物等,他们都是硬度大、耐磨性强、导电性好的高熔点材料,已被作为电极材料加以研究。如经过对多种碳化物进行比较,发现WC上的H吸附行为与Pt上类试,因而对H氧化具有良好的催化活性。WC的另一有点是在酸性溶液中不受CO毒化,于是可在含CO的H2气氛中工作。WC的性能被解释为C的加入改变了W的电子结构使得WC的价带结构与Pt的类试。WC也是甲醛、乙醛、甲酸、册等氧化的优良催化剂,但不能使甲醛直接氧化。此外,发现FeP.CoP。等对和氧化也有较好的催化活性。在碱性溶液中,NIgB灯饰CO、册氧化的优良催化剂。被称为Ebonex 的电极材料是组成大约为Ti,0,的陶瓷材料,它具有非常有趣的性质,在水溶液中非常稳定,可作为催化剂涂层的优良基体材料。另一方面,氧化还原点对在Ebonex表面上的反应速率很小,因此被提议作为无隔膜电解槽中的对电极材料(Ce"离子氧化再生过程中的阴极,或EDTA存在是回收Cur过程中的阳极)﹒陶瓷材料的性能强烈依赖于化学组成。