Ánodo de titanio MMO para agua electrolizada

Como método fundamental para la conversión de energía y la purificación del agua, la electrólisis del agua se ha adoptado ampliamente en áreas clave como la producción de hidrógeno verde, la desalinización de agua de mar, el tratamiento de aguas residuales y la desinfección. Los ánodos de titanio de óxido metálico mixto (MMO) presentan ventajas excepcionales en la electrólisis del agua, como un bajo sobrepotencial, una alta eficiencia de corriente y una larga vida útil. En comparación con los ánodos de grafito, Ánodos de titanio MMO Reducen el consumo energético de los sistemas de electrólisis de agua entre un 10 % y un 20 % y prolongan su vida útil más de ocho veces. Su tasa de penetración global en la industria cloroalcalina y otros sectores ha superado el 70 %.

Principio de funcionamiento del ánodo de titanio MMO

El mecanismo de funcionamiento del ánodo de titanio MMO se basa en un efecto sinérgico de "recubrimiento de sustrato", que logra una conversión eficiente de moléculas de agua mediante electrocatálisis precisa. Sus principios básicos abarcan tres aspectos clave: soporte estructural, conducción de carga y catálisis de reacción.

Sustrato de titanio

El sustrato de titanio actúa como núcleo de soporte estructural y está hecho de titanio Gr1 o Gr2 con una pureza ≥99.7 %. Su superficie se arena o electropule hasta alcanzar una rugosidad de Ra1.6-6.3 μm, lo que crea una estructura porosa que mejora la adhesión del recubrimiento.

Recubrimiento MMO

Esta capa funcional, compuesta por componentes activos y estabilizadores, tiene un espesor de 5 μm-20 μm, una fuerza de unión de ≥30 MPa y una resistividad de ≤10⁻⁴Ω·cm. Los componentes activos (como IrO₂ y RuO₂) proporcionan sitios catalíticos, reduciendo la energía de activación de la reacción; los componentes estabilizadores (como Ta₂O₅ y TiO₂) mejoran la resistencia a la corrosión del recubrimiento y previenen el desconchado durante la electrólisis. El recubrimiento se prepara mediante un método de descomposición térmica: se aplica una solución de sales de metales preciosos a un sustrato de titanio y se sinteriza a 450-550 °C para formar una estructura cristalina, garantizando un equilibrio entre la actividad catalítica y la estabilidad estructural.

Reacción de evolución del cloro

En una reacción con predominio de cloro (entorno con alto contenido de cloruro), el recubrimiento a base de rutenio cataliza preferentemente la oxidación de iones cloruro en un electrolito clorado (como agua de mar o solución salina). La reacción anódica es: 2Cl⁻ – 2e⁻ = Cl₂↑. El cloro gaseoso generado reacciona posteriormente con el agua para formar desinfectantes como el ácido hipocloroso: Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO. La estructura electrónica del orbital d del recubrimiento a base de rutenio permite una transferencia de carga eficiente con iones cloruro, lo que resulta en un sobrepotencial de evolución de cloro inferior a 1.0 V y una eficiencia de corriente superior al 95 %.

Reacción de evolución del oxígeno

En soluciones acuosas ácidas o puras, los recubrimientos a base de iridio catalizan la oxidación de las moléculas de agua para producir oxígeno. La reacción anódica es: 4OH⁻ – 4e⁻ = O₂↑ + 2H₂O (alcalina) o 2H₂O – 4e⁻ = O₂↑ + 4H⁺ (ácida). En los sistemas de electrólisis de hidrógeno, la reacción anódica de evolución de oxígeno y la reacción catódica de evolución de hidrógeno proceden sinérgicamente, siendo la reacción global: 2H₂O = 2H₂↑ + O₂↑. Los recubrimientos a base de iridio regulan el estado electrónico de la superficie para mantener el sobrepotencial de evolución de oxígeno por debajo de 0.3 V, reduciendo significativamente el consumo de energía de la electrólisis. En la producción de ozono, los recubrimientos de iridio-tántalo especialmente formulados permiten que la reacción anódica produzca O₃, aumentando la eficiencia de la corriente a más del 20%.

Tipos de ánodos de titanio MMO

Las diferencias de rendimiento de los ánodos de titanio MMO se determinan principalmente por la composición y la morfología del recubrimiento. Los distintos tipos presentan una compatibilidad específica en entornos de electrólisis de agua, lo que requiere una selección precisa en función de la composición del electrolito, el tipo de reacción y la estructura del equipo.

Ánodos de titanio recubiertos de rutenio

El óxido de rutenio (Ru) es el principal componente activo, generalmente dopado con elementos como iridio (Ir) y estaño (Sn) para ajustar su rendimiento. Su principal ventaja reside en su eficiente rendimiento catalítico en la reacción de oxidación del ion cloruro. A una densidad de corriente de 1 A/cm², su sobrepotencial de desprendimiento de cloruro es 140 mV inferior al de los ánodos de grafito, lo que los hace especialmente adecuados para aplicaciones de electrólisis con electrolitos con alto contenido de cloruro.

Ánodos de titanio recubiertos de iridio

El óxido de iridio (Ir) es el componente activo principal, combinado con componentes estabilizadores como el óxido de tántalo (Ta), para formar un sistema compuesto clásico como "IrO₂-Ta₂O₅" (el óxido de Ir representa entre el 10 % y el 30 %). Este tipo de ánodo se centra en catalizar la reacción de desprendimiento de oxígeno mediante la oxidación de las moléculas de agua. Su potencial de desprendimiento de oxígeno suele ser inferior a 1.40 V (sistema de 1 mol/L H₂SO₄), lo que lo convierte en el ánodo preferido para aplicaciones como la electrólisis del agua, la producción de hidrógeno y la generación de ozono.

Ánodo de titanio recubierto de platino

Se forma un recubrimiento de platino (Pt) de 1-5 μm de espesor sobre un sustrato de titanio mediante galvanoplastia, combinando la altísima actividad catalítica del platino con la estabilidad estructural del titanio. Debido a su elevado coste, se utiliza principalmente en aplicaciones especializadas de electrólisis de agua que requieren una pureza de producto extremadamente alta, como la producción de agua ultrapura de grado electrónico. Su inversión inicial es de 3 a 5 veces superior a la de un ánodo de iridio.

Ánodo de titanio de malla MMO

Compuesto por tiras conductoras de titanio soldadas formando una rejilla, el tamaño de la malla se puede personalizar (p. ej., 12.7 × 4.5 mm o 6 × 3 mm), lo que permite una distribución de corriente de área amplia. Su estructura hueca facilita el rápido desprendimiento de las burbujas generadas por la electrólisis de la superficie del electrodo, reduciendo el efecto de apantallamiento de burbujas y la caída óhmica entre electrodos en aproximadamente 700 mV. Se utiliza ampliamente en celdas de producción de hidrógeno por electrólisis de agua a gran escala y en equipos de electrólisis para el tratamiento de aguas residuales.

Ánodos de titanio MMO tubulares/en varilla

Con una estructura cilíndrica hueca o sólida con un diámetro exterior de 10 mm a 50 mm, estos ánodos pueden personalizarse hasta 6 m de longitud y extenderse mediante conexiones de brida. Este diseño es ideal para aplicaciones especializadas como la electrólisis de pozos profundos y el tratamiento de agua en el revestimiento de tuberías. En los módulos de desalinización electrolítica de agua de mar, los ánodos tubulares alcanzan una alta superficie por unidad de volumen, lo que aumenta la eficiencia de la desalinización en un 30 %. Con un espesor de pared de 0.5 mm a 3 mm, soportan presiones de funcionamiento de 0.1 MPa a 1.0 MPa, lo que los hace adecuados para entornos de electrólisis de agua a alta presión.

Ánodos de titanio MMO flexibles

Fabricados con un sustrato de polímero conductor flexible y un recubrimiento compuesto de MMO, se adaptan a superficies curvas complejas, como revestimientos de tanques y reactores electrolíticos de formas irregulares. Su alta densidad de flujo y su fácil instalación los hacen especialmente ventajosos para su uso en equipos de desinfección electrolítica pequeños y portátiles, superando la escasa adaptabilidad de los ánodos rígidos tradicionales. Los ánodos flexibles alcanzan una uniformidad de corriente del 92 % en espacios de electrólisis irregulares, superando con creces el 75 % alcanzado por los ánodos con forma de varilla.

Tiras de ánodo de titanio MMO

Las especificaciones estándar son de 6.35 mm de ancho y 0.635 mm de espesor, con longitudes de rollo de hasta 150 metros. Estas tiras se utilizan principalmente en sistemas de electrólisis de agua continua, como equipos de producción de agua desinfectante en cadena de montaje. La instalación continua permite la electrólisis a larga distancia y, combinada con el relleno de polvo de yeso para optimizar la distribución de la corriente, puede reducir el consumo energético específico en un 15 % en la producción de hipoclorito de sodio a gran escala.