【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种电极，特别涉及一种适合于用作工业电解过程中用于氢析出的阴极的电极及其制备方法。
技术介绍
1、本专利技术的领域涉及用于电解过程制氢的电极的催化涂层的制备，该涂层被施加到金属基材。
2、多年来，氢对于能源生产的用途已得到极大的扩展，经济且有效的氢制取已成为一个基本的技术问题。
3、在越来越普遍的基于氢作为能量载体使用的经济愿景中，水电解与可再生能源的结合似乎对于可持续的制氢至关重要，与随之发生的二氧化碳排放量减少有关。
4、可再生能源(如太阳能和风能)以随时间变化性为特征，因此可再生能源供应的预测是困难的。事实上，预测确定的时间范围内的能源供应是具有挑战性的。所以，该供应很少与能源消费和使用的需求一致；因此，为了其有效使用，将这些可再生能源与储存系统结合是必要的。
5、氢被认为是合适的可储存能量载体。例如，在产生风能和太阳能的地点，未直接馈入电网的过剩电能可用于进行电解水制氢，可将其储存并保留以备后用。
6、水电解过程中，施加电流使水分解为其组分，氧和氢。该过程由两个半反应(semi-react ion)组成：发生于阳极的析氧反应和发生于阴极的析氢反应。实现这两个半反应的主要挑战是克服其缓慢的动力学。令人遗憾地，这些反应所表现出的动力学复杂性需要槽电压超出其热力学电位之外的过量(表示为“过电位”或“过电压”)以获得高的工艺效率。为了降低过电位，用于水电解的电极提供有催化涂层。
7、在大多数电解工艺中，生产所需产品的成本在很大程度上取决于施加到
8、此外，由于可再生能源的波动和间歇的表现，水电解系统不得不适应动态的运行，其实可能发生多次系统的启动和关闭的循环；此外，由于技术问题，经常发生电力供应中断。这导致对电极有害的极性反转，其寿命可能受到消极影响，并且可加速退化。
9、一般地，通过使用外部保护极化系统避免电流反向，但从全过程的成本控制与缩减的角度，倾向是完全避免使用具有对电极寿命的必然负面影响的外部极化系统。
10、在几种水电解过程之中，碱性溶液的电解制氢是最为熟知的方法之一，这确实在灵活性、可用性和制取高纯度氢方面具有优势。然而，为了得到广泛的使用，通过碱性溶液的电解制氢需要在降低能耗的工艺效率、安全性、耐用性、可靠性以及，最重要的是，安装和运行成本的降低方面予以改进。
11、就工艺效率而言，通过降低槽电压获得降低的能耗对市场竞争力是至关重要的。
12、通过使用带有适合于促进所需电化学过程的催化涂层的阳极和阴极，可以在很大程度上实现上述槽电压的降低。因为其引导氢和氧析出的反应路径趋向较低的活化能，所以这些催化涂层在改善用于水电解制氢过程的效率方面扮演着很重要的角色。
13、特别地，阴极涂层代表着实现该电压降低的重要要素。
14、多年来，活化电极的使用已变得广泛，其带有能够降低氢的阴极过电压的催化涂层；使用诸如镍、铜或钢本身的金属基材已取得良好成效，所述金属基材提供有基于铑、铂或钌的氧化物的催化涂层。
15、影响着使用以基于贵金属的催化涂层活化的电极的经济便利性的另一个重要因素，涉及电极在高电流密度下的工作寿命。
16、大多数基于贵金属的催化涂层往往因为电流反转而受到严重损害，所述电流反转可尤其发生于工业设备效率低下的情况下；阳极电流的流动及由此导致的电极电位提升至高值，可导致(例如钌的)不受控制的溶解。
17、通过向催化涂层的配制剂中加入来自稀土组的元素，使该问题得到部分地解决。在正常的设备运行条件下，具有这些涂层的阴极证明是有足够抵抗力的，然而，显示了非最佳的持续时间。
18、通过将由包括铂、铑和/或钯的不同相组成的催化涂层施加到金属基材，已得到抵抗电流反转能力的进一步改善。然而，这类涂层需要催化相中高负载量的铂和铑，因此造成相当高的生产成本。
19、国际专利申请wo 2008/043766 a2描述了一种适合于氯碱电解中氢析出的阴极，其由提供有涂层的镍基材组成，所述涂层包括含钯的保护区和物理意义上不同的催化活化区，其含有铂或钌，任选地混合有高氧化性的金属氧化物(如铬或镨的氧化物)。
20、欧洲专利申请ep 0298055 a1描述了一种用于电解氯化钠水溶液的阴极，该阴极包括具有镍表面的导电基体，并在其上提供了至少一种铂族组分和至少一种铈组分。
21、国际专利申请wo 2012/150307 a1描述了一种适合于电解过程中氢析出的阴极，其包括涂覆有外部催化层的金属基材，该催化层含有具有高度有序的金红石型结构的晶态氧化钌。催化外层可含有稀土(如镨)氧化物。该电极可能还包括铂基内部催化薄层，这为免受意外的电流反转事件提供了增强的保护。
22、国际专利申请wo 2014/082843 a1描述了一种在电解过程中用于氢析出的阴极，其包含金属基材、含铑的内催化层和含钌的外催化层。
23、欧洲专利申请ep 2537961 a1描述了一种用于电解碱金属卤化物水溶液的阴极，其包含镍基材，包括金属镍、镍的氧化物和碳原子的混合物层，以及包括铂族金属或铂族金属化合物的电极催化剂层。
24、在电解过程工业中，竞争力的主要驱动力是追求电压的降低。阴极涂层代表着实现该降低的一个重要要素，然而所有导致电压改善的变化经常在电流反转时导致涂层薄弱得多，所述电流反转可能在工业设备断电的情况下意外发生。
25、因此，对于工业电解过程，尤其对于阴极析出氢的电解过程，需要新的阴极组成，其特征为：高电流密度下优异的催化活性，在原材料方面总体成本低得多，持续时间和抵抗意外电流倒转(invers ion)能力比通常的工作情况更高。
26、本专利技术的目的为解决上文所描述的问题，涉及一种阴极，其特征在于：氢过电压低，即使没有外部极化系统，当电解被中断时具有优异的抗反复电流反转能力，兼有低廉的成本。本专利技术还涉及生产前述阴极的方法和含有这种阴极的电解器。
技术实现思路
1、本专利技术通过提供一种带有催化涂层的电极(特别是阴极)来解决上述问题，其在抵抗反转能力方面具有高强度，同时保持优异的槽电压。
2、本专利技术提供了一种电极，尤其是一种适合用作阴极用于产氢的电极，其包括金属基材，该基材上具有催化涂层，其中所述催化涂层至少包括与基材直接接触的第一保护层和施加于所述第一保护层顶部的第二层。
3、术语“直接接触”意指将第一保护层直接施加在基材的表面上，基材和第一保护层之间没有中间层。“施加于顶部”表示远离基材表面的方向，即第二层在第一保护层的与基材相反的那侧上。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.用于在电化学工艺中气体析出的电极，其包含提供有催化涂层的金属基材，所述催化涂层包含与基材直接接触的第一保护层，所述第一保护层包括金属或其氧化物形式的铂，以及施加于所述第一保护层顶部的第二层，所述第二层包含金属或其氧化物形式的铂、钯和选自稀土组的元素，其中所述第二层包含15-40重量％的铂和10-30重量％的钯以及40-75重量％的选自稀土组的元素，按金属计。
2.根据权利要求1的电极，其中所述第一保护层由铂或者铂和钯的混合物组成，其中按金属计钯至多为40重量％。
3.根据权利要求1或2任一项的电极，其中选自稀土组的元素为镨、铈或镧。
4.根据前述权利要求中任一项的电极，其中催化涂层的贵金属总负载量在2.5至7g/m2之间。
5.由前述权利要求中任一项所限定的电极的制备方法，其包括以下步骤：
6.根据权利要求5的方法，其中所述第一溶液含有铂的前体，所述第二溶液含有铂、钯和镨的前体。
7.用于电解过程的电解槽，包括由离子交换膜片或隔膜分隔开的阳极隔室和阴极隔室，其中阴极隔室配置有根据权利要求1至4中任一项所述
8.电解器，包括模块化排列的电解槽，其中每个电解槽根据权利要求7所述进行配置。
9.权利要求7所述的电解槽的用途，通过电解水用于制氢或者通过电解碱性盐水用于制取氯和碱。
10.权利要求9的电解器的用途，通过电解水用于制氢或者通过电解碱性盐水用于制取氯和碱。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.用于在电化学工艺中气体析出的电极，其包含提供有催化涂层的金属基材，所述催化涂层包含与基材直接接触的第一保护层，所述第一保护层包括金属或其氧化物形式的铂，以及施加于所述第一保护层顶部的第二层，所述第二层包含金属或其氧化物形式的铂、钯和选自稀土组的元素，其中所述第二层包含15-40重量％的铂和10-30重量％的钯以及40-75重量％的选自稀土组的元素，按金属计。
2.根据权利要求1的电极，其中所述第一保护层由铂或者铂和钯的混合物组成，其中按金属计钯至多为40重量％。
3.根据权利要求1或2任一项的电极，其中选自稀土组的元素为镨、铈或镧。
4.根据前述权利要求中任一项的电极，其中催化涂层的贵金属总负载量在2...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·卡尔德拉拉，S·莫拉，
申请(专利权)人：德诺拉工业有限公司，
类型：发明
国别省市：
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