氢气扩散阳极及其制备方法和应用

本发明涉及湿法冶金，具体涉及一种氢气扩散阳极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、湿法冶金是用于获取金属锌、铜、铬、镍等金属的重要手段。在湿法冶金的所有工序中，电积(从溶液中电解提取金属)环节能耗占比巨大，例如锌电积环节的能耗占湿法冶锌总能耗的75％以上。

2、在锌电积行业，目前工业上通常采用析氧的铅基电极作为阳极，硫酸和硫酸锌的混合溶液作为电积液，铝板作为锌沉积的基底和阴极。传统锌电积阴阳极的反应式和对应标准平衡电位如下所示：

3、阳极：2h2o-4e-＝o2+4h+(eθ＝1.23v)

4、阴极：zn2++2e-＝zn(eθ＝-0.76v)

5、总反应：2zn2++2h2o＝2zn+o2+4h+(eθ＝1.99v)

6、由于氧气析出反应具有较高的过电位，在实际生产过程中，锌电积的槽压通常在3.0-3.4v之间。

7、利用氢气扩散阳极(hda)代替传统的氧气析出阳极，在阳极以氢气氧化反应代替氧气析出反应，理论上可以降低湿法冶锌60％的能耗。hda电解槽的阴阳极反应式和对应标准平衡电位如下所示：

8、阳极：h2-2e-＝2h+(eθ＝0v)

9、阴极：zn2++2e-＝zn(eθ＝-0.76v)

10、总反应：zn2++h2＝zn+2h+(eθ＝0.76v)

11、hda作为气体扩散电极的一种，可由集流体、气体扩散层和反应催化层三部分组成。影响hda的性能的因素主要有三个方面：第一是催化层中催化剂的本征活性；第二是电极必须具有合适的亲疏水性，以保证电积过程在电极催化层中形成氢气-催化剂-电解液的三相界面，使电极反应能够顺利进行；第三是电极材料必须要有良好的耐劣化能力，保证电极在长期的运行中保持性能稳定。湿法炼锌的电解液通常为强酸环境，并含有一定量的卤素、锰等杂质离子，与电解液接触的电极材料必须要能耐受住氧化电流和强酸性环境带来的双重腐蚀。

12、对于湿法炼锌用hda，由于其运行条件苛刻，目前仅有少量的文献对其进行了报道。例如，us 5300206a中提出了一种炼锌用hda，以铅基材料为基底，碳布作为扩散层，铂碳作为催化剂，并在最外侧层压有一层防渗的高分子膜。将该电极放入电解槽中，在500a m-2的电流密度下进行锌电积试验，槽压约为1.6v。该文献中的电极额外引入了高分子防渗膜，使电极的结构和制备更加复杂。且电极采用铂碳催化剂，其中的碳载体在锌电积的强酸性氧化电流条件运行中催化剂容易受到腐蚀，导致铂催化剂脱落，引起电极性能下降。

13、cn 114507873a中提出了一种湿法冶锌用hda，以单层的多孔钛材料为集流体和催化层基底，并在钛基材表面负载含钛氧化物和pt纳米颗粒的活性涂层及ptfe疏水层。该电极在500a m-2的电流密度下进行锌电积试验，平均槽压为1.28v。该专利中的电极用含铂和钛氧化物催化涂层作为催化剂，相较碳载体催化剂有更高的稳定性。但是，由于电极结构中只包含一片多孔钛催化层，没有额外的气体扩散层，且泡沫钛和钛毡等多孔钛材料由于材料和制备方式的限制，孔径和孔隙率均大于碳材料，疏水性不足。在长时间的运行过程中，电解液容易渗过多孔钛的孔隙流入气室，从而破坏电极催化层中气液固三相反应界面，引起电极性能的下降。

14、因此，亟需研发一种能够长期稳定运行并且能耗和成本较低的氢气扩散阳极。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种氢气扩散阳极及其制备方法和应用。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种氢气扩散阳极，所述氢气扩散阳极包括多孔金属基底和负载于所述多孔金属基底表面的复合催化层；

3、其中，所述复合催化层包括依次负载的氧化物基保护层、活性涂层和疏水层；所述氧化物基保护层为致密多孔结构。

4、本发明第二方面提供一种第一方面所述的氢气扩散阳极的制备方法，所述方法包括：在多孔金属基底表面依次负载氧化物基保护层、活性涂层以及疏水层制得所述氢气扩散阳极。

5、本发明第三方面提供根据第二方面所述的制备方法得到的氢气扩散阳极。

6、本发明第四方面提供第一方面或第三方面所述的氢气扩散阳极在湿法氢冶金中的应用。

7、通过上述技术方案，本发明所取得的有益技术效果如下：

8、本发明提供的氢气扩散阳极可替代传统湿法冶金工业中的铅基阳极或现有工艺下的氢气扩散阳极，与铅银阳极相比在相同的电流密度下呈现出大幅降低的槽压，并且在长期运行中能保持性能稳定达224h。与现有的氢气扩散阳极相比，在明显延长稳定运行时间的基础上大幅降低成本，在节能的同时节约成本。

技术特征：

1.一种氢气扩散阳极，其特征在于，所述氢气扩散阳极包括多孔金属基底和负载于所述多孔金属基底表面的复合催化层；

2.根据权利要求1所述的氢气扩散阳极，其中，所述多孔金属基底为多孔钛，优选为钛毡或泡沫钛；

3.根据权利要求1或2所述的氢气扩散阳极，其中，所述活性涂层包括纳米贵金属颗粒和氧化态金属颗粒；

4.根据权利要求1-3中任一项所述的氢气扩散阳极，其中，所述疏水层的材料为疏水性高分子材料；

5.根据权利要求1-4中任一项所述的氢气扩散阳极，其中，所述氢气扩散阳极的厚度为0.1-10mm；

6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的氢气扩散阳极的制备方法，其特征在于，所述方法包括：在多孔金属基底表面依次负载氧化物基保护层、活性涂层以及疏水层制得所述氢气扩散阳极。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述氧化物基保护层的原料包括氧化物、分散剂、表面活性剂、粘结剂和添加剂；

8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其中，所述活性涂层的负载方法包括：将含贵金属元素的前驱体溶液与含金属元素的前驱体溶液混合后浸渍至氧化物基保护层表面，经烘干和烧结后得到活性涂层；

9.根据权利要求7或8所述的制备方法得到的氢气扩散阳极。

10.权利要求1-6和9任一项所述的氢气扩散阳极在湿法冶金中的应用。

技术总结本发明涉及湿法冶金技术领域，公开了一种氢气扩散阳极及其制备方法和应用。所述氢气扩散阳极包括多孔金属基底和负载于所述多孔金属基底表面的复合催化层；其中，所述复合催化层包括依次负载的氧化物基保护层、活性涂层和疏水层；所述氧化物基保护层为致密多孔结构。本发明提供的氢气扩散阳极可替代传统湿法冶金工业中的铅基阳极或现有工艺下的氢气扩散阳极，与铅银阳极相比在相同的电流密度下呈现出大幅降低的槽压，并且在长期运行中能保持性能稳定达224h。与现有的氢气扩散阳极相比，在明显延长稳定运行时间的基础上大幅降低成本，在节能的同时节约成本。技术研发人员：王峰,张正平,李志林,赵志杰,张晋华,陈屿受保护的技术使用者：北京化工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18