Platinbelægning Titaniumanode

Inden for elektrokemi fungerer elektroder som kernebærere for energiomdannelse og materialereaktioner. Deres ydeevne bestemmer direkte effektivitet, kvalitet og teknisk stabilitet. Med den hurtige udvikling af industrier som ny energi, miljøbeskyttelse og galvanisering har traditionelle elektrodematerialer som grafit- og blylegeringer gradvist afsløret mangler såsom dårlig korrosionsbestandighed, kort levetid, højt energiforbrug og generering af sekundær forurening.

Pt-titanium anoder, der udnytter platins fremragende elektrokemiske aktivitet og titansubstratets høje styrke og korrosionsbestandighed, er blevet et nøglemateriale til at håndtere elektrodesvigt under barske driftsforhold. Titansubstratet har ikke kun fremragende mekanisk styrke og ydeevne og tilpasser sig forskellige elektrodekonfigurationer (såsom plade, net, rørformede og filamentformede), men danner også en tæt oxidfilm (TiO₂) i stærke sure, alkaliske og stærkt oxiderende miljøer, hvilket effektivt beskytter mod korrosion fra ætsende medier. Platinbelægningen, der fungerer som det "aktive center" for elektrokemiske reaktioner, udviser ekstremt høj overpotentialstabilitet for ilt- og klorudvikling, hvilket reducerer energiforbruget i den elektrokemiske reaktion betydeligt, samtidig med at det forhindrer opløsning af platin-titananode under reaktionen.

Anvendelsen af ​​platin-titanium-anoder begyndte i klor-alkaliindustrien i midten til slutningen af ​​det 20. århundrede. Med udviklingen af ​​fremstillingsteknologi er dens anvendelsesscenarier gradvist blevet udvidet til galvanisering (såsom guldbelægning, sølvbelægning, nikkelbelægning), vandelektrolyse (hydrogenproduktion, iltproduktion), spildevandsbehandling (elektrokatalytisk oxidation, nedbrydning af forurenende stoffer), elektrolytisk metalraffinering (såsom rensning af kobber, nikkel og kobolt) og andre områder.

Fordele ved platin-titanium anoder

Sammenlignet med traditionelle elektrodematerialer udviser platin-titanium-anoder betydelige fordele med hensyn til ydeevne, omkostningseffektivitet og miljøvenlighed. Disse fordele stammer fra deres kompositstruktur med "platinbelægning + titaniumsubstrat".

1. Fremragende korrosionsbestandighed

I den elektrokemiske industri udsættes elektroder ofte for stærke syrer (såsom svovlsyre, saltsyre og salpetersyre), stærke baser (såsom natriumhydroxid), høje salte (såsom natriumklorid og magnesiumklorid) eller stærkt oxiderende miljøer (såsom hypochlorsyrling og hydrogenperoxid). Traditionelle elektroder (såsom grafit- og blylegeringer) er tilbøjelige til korrosion, opløsning eller strukturelle skader, hvilket resulterer i en kort elektrodelevetid (typisk kun et par måneder til et år), hvilket kræver hyppig udskiftning, øger nedetidsomkostninger og vedligeholdelsesarbejdsbyrde.

Korrosionsbestandigheden af ​​platin-titanium-anoder stammer fra to nøgleegenskaber: For det første, passiveringseffekten af ​​titansubstratet - titan danner hurtigt en tæt oxidfilm (TiO₂) på cirka 5-10 nm i korrosive medier. Denne oxidfilm er ekstremt kemisk stabil og isolerer effektivt det korrosive medium fra substratet og forhindrer yderligere oxidation af titaniummetallen. For det andet er platinbelægningen kemisk inert. Platin er et af de mest kemisk stabile ædelmetaller. Det opløses ikke i de fleste sure og alkaliske miljøer fra stuetemperatur til høje temperaturer (≤600 °C) og er modstandsdygtigt over for korrosion fra stærke oxiderende ioner såsom Cl⁻, O₂ og H₂O₂.

2. Fremragende elektrokemisk aktivitet

Energiforbruget ved en elektrokemisk reaktion er direkte relateret til elektrodens "overpotentiale". Jo lavere overpotentialet er, desto lavere er den påførte spænding, der kræves til reaktionen, hvilket resulterer i et lavere energiforbrug. Traditionelle elektroder (såsom blylegeringer) har et højt overpotentiale for iltudvikling (typisk 0.6-0.8 V), hvilket resulterer i, at en betydelig mængde elektrisk energi går til spilde under elektrolyseprocessen og omdannes til varme. Platinbelægningen udviser dog ekstremt høj elektrokatalytisk aktivitet, hvilket reducerer overpotentialet betydeligt for nøglereaktioner såsom ilt- og klorudvikling. Med vandelektrolyse som eksempel er iltudviklingsoverpotentialet for en platin-titaniumanode under alkaliske forhold kun 0.2-0.3 V. Sammenlignet med en blylegeringsanode kan dette reducere elektrolysatorens cellespænding med 0.4-0.5 V. For en elektrolysør med en årlig brintproduktionskapacitet på 1000 Nm³ kan dette spare cirka 1.2×10⁵ kWh elektricitet, svarende til cirka 40 tons standardkul, årligt. Dette reducerer ikke kun produktionsomkostningerne, men også CO2-udledningen. Desuden forhindrer platinbelægningens meget ensartede aktivitet "hot spots" forårsaget af overdrevent intense lokale reaktioner på elektrodeoverfladen, hvilket yderligere forbedrer elektrolysestabiliteten og reducerer sidereaktioner (såsom dannelse af urenheder og opløsning af metalioner).

3. Fremragende mekaniske egenskaber

Elektrodens strukturelle design skal skræddersys til det specifikke anvendelsesscenarie (f.eks. størrelsen på den elektrolytiske celle, fordeling af reaktionsstrøm og installationsplads). Traditionelle sprøde materialer (såsom grafit) er vanskelige at bearbejde til komplekse former (f.eks. tyndvæggede rør eller porøse net) og er modtagelige for brud under installation og transport. Titanium derimod tilbyder fremragende mekaniske egenskaber med en trækstyrke på 500-700 MPa og en forlængelse på ca. 15%-20%. Gennem konventionelle bearbejdningsteknikker såsom stempling, svejsning og skæring kan det fremstilles til en række forskellige strukturer, herunder plader, net, rør, filamenter og spiraler, for at imødekomme behovene under forskellige driftsforhold.

For eksempel kræves der porøse platin-titaniumanoder i elektrokatalytisk oxidationsudstyr til miljøvenlig vandbehandling for at øge kontaktarealet mellem spildevandet og elektroden. Desuden udviser platinbelægningen en stærk binding med titansubstratet (vedhæftning på over 50 MPa) og modstår løsrivelse under forhold som vibrationer og temperaturudsving (fra -50 °C til 200 °C).

4. Miljøvenlig og forureningsfri

Traditionelle elektroder er tilbøjelige til sekundær forurening under brug. For eksempel opløses spor af blyioner fra blylegeringsanoder under elektrolyseprocessen og trænger ind i elektrolytten eller produkter (såsom galvaniserede dele og drikkevand), hvilket udgør en trussel mod menneskers sundhed og miljøet. Grafitanoder udsættes også for oxidativt slid under elektrolyseprocessen, hvilket producerer grafitstøv, der forurener elektrolytten og kræver regelmæssig rengøring.

Platin-titan-anoder løser fundamentalt dette forureningsproblem. For det første er platinopløsningshastigheden ekstremt lav (i et surt miljø ved stuetemperatur er den årlige opløsningshastighed ≤0.1 mg/m²), hvilket eliminerer tungmetalforurening. For det andet kan platinressourcer, efter at elektroderne er skrottet, genvindes gennem specialiseret teknologi (med en genvindingsrate på over 95 %), hvilket opnår materialegenbrug og er i overensstemmelse med udviklingskonceptet "grøn fremstilling".

5. Langsigtet driftsstabilitet

Traditionelle elektroder har en kort levetid og er tilbøjelige til korrosion, hvilket kræver hyppig nedetid for udskiftning. Dette øger ikke kun arbejdsbyrden for vedligeholdelsespersonalet, men forårsager også produktionsafbrydelser og påvirker produktiviteten. Platin-titanium-anoder, med deres lange levetid (typisk 5-10 år) og høje stabilitet, reducerer vedligeholdelseshyppigheden og nedetid betydeligt.

Hvis vi tager et klor-alkali-anlæg som eksempel, skal traditionelle grafitanoder udskiftes hvert et til andet år. Hver udskiftning kræver tre til fem dages nedetid, hvilket resulterer i et produktionstab på cirka 10 % til 15 %. Med introduktionen af ​​platin-titanium-anoder kræves udskiftning hvert femte til ottende år, hvilket reducerer nedetiden til én gang hvert femte år. Dette øger den effektive produktionstid med cirka 10 til 15 dage årligt. Baseret på en fortjeneste på 200 yuan pr. ton kaustisk soda kan et anlæg med en årlig produktionskapacitet på 100,000 tons kaustisk soda generere en yderligere fortjeneste på cirka 500,000 til 800,000 yuan. Derudover eliminerer platin-titanium-anoder behovet for hyppig vedligeholdelse, såsom justering af elektrodeafstanden og påfyldning af elektrolyt, hvilket yderligere reducerer driftsomkostningerne og forbedrer produktionseffektiviteten.

Som et kernemateriale i den elektrokemiske industri har platin-titaniumanoder med succes løst problemerne med kort levetid, højt energiforbrug og høj forurening af traditionelle elektroder (grafit, blylegeringer) i kraft af platinbelægningens "høje aktivitet og korrosionsbestandighed" og titansubstratets "høje styrke og forarbejdningsevne." De er blevet en central støtte til opgradering og udvikling af industrier såsom kloralkali, galvanisering, elektrolyse af vand til produktion af brint og miljøvenlig vandbehandling.