MMO titaniumanode til elektrolyseret vand

Som et centralt middel til at opnå energiomdannelse og vandrensning er vandelektrolyse blevet bredt anvendt inden for nøgleområder som produktion af grøn brint, afsaltning af havvand, spildevandsbehandling og desinfektion. Titananoder med blandet metaloxid (MMO) udviser enestående fordele inden for vandelektrolyse, herunder lavt overpotentiale, høj strømeffektivitet og lang levetid. Sammenlignet med grafitanoder, MMO titanium anoder reducere energiforbruget i vandelektrolysesystemer med 10%-20% og forlænge deres levetid med mere end otte gange. Deres globale penetrationsrate i klor-alkaliindustrien og andre sektorer har oversteget 70%.

Funktionsprincippet for MMO-titananoden

MMO-titananodens virkemåde er baseret på en synergistisk effekt af "substratbelægning", der opnår effektiv vandmolekylekonvertering gennem præcis elektrokatalyse. Dens kerneprincipper omfatter tre nøgleaspekter: strukturel understøtning, ladningsledning og reaktionskatalyse.

Titanium substrat

Titansubstratet fungerer som den strukturelle støttekerne og er lavet af Gr1- eller Gr2-titanium med en renhed på ≥99.7%. Dets overflade er sandblæst eller elektropoleret til en ruhed på Ra1.6-6.3 μm, hvilket skaber en porøs struktur, der forbedrer belægningens vedhæftning.

MMO belægning

Dette funktionelle lag, der er sammensat af aktive og stabiliserende komponenter, har en tykkelse på 5 μm-20 μm, en bindingsstyrke på ≥30 MPa og en modstand på ≤10⁻⁴Ω·cm. Aktive komponenter (såsom IrO₂ og RuO₂) fungerer som katalytiske steder, hvilket reducerer reaktionens aktiveringsenergi; stabiliserende komponenter (såsom Ta₂O₅ og TiO₂) forbedrer belægningens korrosionsbestandighed og forhindrer afskalning under elektrolyse. Belægningen fremstilles ved en termisk dekomponeringsmetode: en opløsning af ædelmetalsalte påføres et titansubstrat og sintres ved 450-550 °C for at danne en krystallinsk struktur, der sikrer en balance mellem katalytisk aktivitet og strukturel stabilitet.

Klorudviklingsreaktion

I en klordomineret reaktion (miljø med højt kloridindhold) katalyserer den rutheniumbaserede belægning fortrinsvis oxidationen af ​​kloridioner i en klorholdig elektrolyt (såsom havvand eller saltvand). Den anodiske reaktion er: 2Cl⁻ – 2e⁻ = Cl₂↑. Den genererede klorgas reagerer yderligere med vand for at danne desinfektionsmidler såsom hypoklorsyrling: Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO. Den rutheniumbaserede belægnings d-orbitale elektroniske struktur muliggør effektiv ladningsoverførsel med kloridioner, hvilket resulterer i et klorudviklingsoverpotentiale så lavt som under 1.0 V og en strømeffektivitet på over 95 %.

Iltudviklingsreaktion

I sure eller rene vandige opløsninger katalyserer iridiumbaserede belægninger oxidationen af ​​vandmolekyler for at producere ilt. Den anodiske reaktion er: 4OH⁻ – 4e⁻ = O₂↑ + 2H₂O (alkalisk) eller 2H₂O – 4e⁻ = O₂↑ + 4H⁺ (sur). I hydrogenelektrolysesystemer forløber den anodiske iltudviklingsreaktion og den katodiske hydrogenudviklingsreaktion synergistisk, hvor den samlede reaktion er: 2H₂O = 2H₂↑ + O₂↑. Iridiumbaserede belægninger regulerer overfladens elektroniske tilstand for at holde iltudviklingsoverpotentialet under 0.3 V, hvilket reducerer elektrolyseenergiforbruget betydeligt. I ozonproduktion muliggør specielt formulerede iridium-tantalbelægninger den anodiske reaktion til at producere O₃, hvilket øger strømeffektiviteten til over 20%.

Typer af MMO titaniumanoder

Ydeevneforskellene mellem MMO-titaniumanoder bestemmes primært af belægningens sammensætning og morfologi. Forskellige typer udviser specifik kompatibilitet i vandelektrolysemiljøer, hvilket kræver præcist valg baseret på elektrolytsammensætning, reaktionstype og udstyrsstruktur.

Rutheniumbelagte titaniumanoder

Ruthenium (Ru) oxid er den primære aktive komponent, typisk doteret med elementer som iridium (Ir) og tin (Sn) for at justere ydeevnen. Deres kernefordel er deres effektive katalytiske ydeevne i kloridionoxidationsreaktionen. Ved en strømtæthed på 1 A/cm² er deres kloridudviklingsoverpotentiale 140 mV lavere end grafitanoders, hvilket gør dem særligt velegnede til elektrolyseapplikationer med elektrolytter med højt kloridindhold.

Iridiumbelagte titananoder

Iridium (Ir) oxid er den centrale aktive komponent, kombineret med stabiliserende komponenter såsom tantal (Ta) oxid, for at danne et klassisk kompositsystem såsom "IrO₂-Ta₂O₅" (Ir-oxid tegner sig for 10%-30%). Denne type anode fokuserer på at katalysere iltudviklingsreaktionen ved oxidation af vandmolekyler. Dens iltudviklingspotentiale er typisk under 1.40 V (1 mol/L H₂SO₄ system), hvilket gør den til den foretrukne anode til anvendelser som vandelektrolyse, hydrogenproduktion og ozongenerering.

Platinbelagt titananode

En 1-5 μm tyk platin (Pt) belægning dannes på et titansubstrat gennem galvanisering, hvilket kombinerer platins ekstremt høje katalytiske aktivitet med titans strukturelle stabilitet. På grund af platins høje pris anvendes det primært i specialiserede vandelektrolyseapplikationer, der kræver ekstremt høj produktrenhed, såsom produktion af ultrarent vand af elektronikkvalitet. Den oprindelige investering er 3-5 gange højere end en iridiumbaseret anode.

Mesh MMO Titanium Anode

Den er sammensat af ledende titaniumstrimler svejset sammen i et gittermønster, og maskestørrelsen kan tilpasses (f.eks. 12.7 × 4.5 mm eller 6 × 3 mm), hvilket muliggør strømfordeling over et bredt område. Dens hule struktur muliggør hurtig frigørelse af bobler genereret ved elektrolyse fra elektrodeoverfladen, hvilket reducerer "bobleafskærmningseffekten" og sænker det ohmske fald mellem elektroderne med cirka 700 mV. Den anvendes i vid udstrækning i storskala vandelektrolyse, hydrogenproduktionsceller og spildevandsbehandlingsudstyr.

Rørformede/stangformede MMO-titananoder

Med en hul eller massiv cylindrisk struktur med en ydre diameter på 10 mm-50 mm kan disse anoder tilpasses op til 6 m i længden og forlænges via flangeforbindelser. Dette design er ideelt til specialiserede anvendelser såsom elektrolyse i dybe brønde og vandbehandling med rørledningsforing. I elektrolytiske afsaltningsmoduler til havvandsafsaltning opnår rørformede anoder et højt overfladeareal pr. volumenhed, hvilket øger afsaltningseffektiviteten med 30 %. Med en vægtykkelse på 0.5 mm-3 mm kan de modstå driftstryk på 0.1 MPa-1.0 MPa, hvilket gør dem velegnede til miljøer med højt tryk i vandelektrolyse.

Fleksible MMO titaniumanoder

De er fremstillet med et fleksibelt, ledende polymersubstrat og en komposit MMO-belægning og kan tilpasses komplekse, buede overflader såsom tankforinger og uregelmæssigt formede elektrolytiske reaktorer. Deres høje strømningstæthed og nemme installation gør dem særligt fordelagtige til brug i små, bærbare elektrolytiske desinfektionsudstyr, hvilket overvinder den dårlige tilpasningsevne hos traditionelle stive anoder. Fleksible anoder opnår 92 % strømuniformitet i uregelmæssige elektrolyserum, hvilket langt overstiger de 75 %, der opnås med stangformede anoder.

Strimler MMO Titanium Anode

Standardspecifikationerne er 6.35 mm brede og 0.635 mm tykke, med rullelængder på op til 150 meter. Disse strimler anvendes primært i kontinuerlige vandelektrolysesystemer, såsom udstyr til produktion af desinfektionsvand på samlebånd. Kontinuerlig lægning muliggør elektrolyse over lange afstande, og kombineret med gipspulverfyldning for at optimere strømfordelingen kan de reducere det specifikke energiforbrug med 15 % i storskala natriumhypochloritproduktion.