Ruténium-irídium titán anód

Amikor az áram átfolyik egy elektrolitoldaton, és redoxireakciót indít el, az anód teljesítménye közvetlenül meghatározza a reakció hatékonyságát, a termék tisztaságát és a gazdaságosságot. Az elektrokémiai iparban az elektródaanyagok grafitból és ólomalapú ötvözetekből fejlődtek ki, ami végül a „kiváló” ruténium-iridium-titán anód kifejlesztéséhez vezetett.

Ez az ipari tisztaságú titánon alapuló és ruténium-iridium-oxiddal bevont kompozit elektróda tökéletesen egyensúlyban tartja a katalitikus aktivitást, a korrózióállóságot és a mechanikai stabilitást, mélyrehatóan átalakítva a gyártási módszereket olyan kulcsfontosságú területeken, mint a klóralkáliipar, az új energiafejlesztés és a környezetvédelmi irányítás.

1. Kiváló elektrokémiai teljesítmény

A legfontosabb versenyképességi tényezők ruténium-iridium-titán anód A ruténium-oxid gyorsítóként működik a klór- és oxigénfejlődési reakcióban. Jelentősen csökkenti a reakciófeszültséget a sóoldat elektrolízise során, így a marónátron tonnánkénti energiafogyasztása 10-20%-kal csökken. Az irídium-oxid optimalizálja az oxigénfejlődési reakció aktivitását, 0.25 V-ra csökkenti a túlfeszültséget a hidrogéntermelés során alkalmazott vízelektrolízis során, 40-60%-kal növeli a hidrogéntermelés hatékonyságát, és 99.99%-os hidrogéntisztaságot ér el. Ez a magas katalitikus hatékonyság jelentős áramhatékonysági előnyöket eredményez, meghaladja a 95%-ot a klóralkáli iparban. Galvanizálás során a fémion-lerakódási sebesség ±1%-on belül szabályozható.

2. Rendkívül korrózióálló

A titán hordozó TA1/TA2 ipari tisztaságú titánból készül, amely korrózióállósága messze meghaladja a rozsdamentes acélét, és sűrűsége mindössze 60%-a az acélénak. Stabilan és hosszú távon működik extrém savas és lúgos környezetben, 0-14 pH-tartományban. 500-600°C-on történő szinterezés után a ruténium-iridium-oxid bevonat szoros kötést képez az hordozóval, elérve az ASTM D3359 B osztályú tapadási szintet. Akár 5%-os kloridion-koncentrációjú korrozív környezetben a bevonat éves kopási sebessége mindössze 0.07 μm. A bevonat formulájának olyan elemek hozzáadásával történő fejlesztésével, mint a tantál és az ón, az oxid oldódása és passzivációja tovább késleltethető, lehetővé téve az anód stabil működését több mint 4,000 órán át normál üzemi körülmények között, az élettartama pedig háromszor-ötszöröse a hagyományos ólomanódok élettartamának. Extrém optimalizálással ez akár hat évnél is hosszabbra növelhető.

3. Kiváló méretstabilitás

A titán hordozó nagy szilárdsága biztosítja, hogy az elektróda az elektrolízis során ne deformálódjon és ne oldódjon fel, az évi 0.1%-nál kisebb résváltozási sebességgel, így stabil környezetet biztosít milliméteres pontossággal a reakcióhoz. A hagyományos ólomalapú anódokhoz képest a ruténium-iridium-titán anódok kiküszöbölik a nehézfémek oldódásával történő szennyeződés kockázatát, teljesen kiküszöbölve a termékekben vagy a vízben lévő túlzott ólomtartalom kockázatát olyan alkalmazásokban, mint a galvanizálás és az ivóvízkezelés. Továbbá, moduláris felépítése lehetővé teszi a testreszabást különböző formákban, alkalmazkodva a különböző elektrolizáló cella konfigurációkhoz. A használt elektródákból származó nemesfém-kinyerési arány eléri a 98%-ot.

4. Jelentős költséghatékonyság

A nemesfém bevonatok, például a ruténium és az irídium használata ellenére a ruténium-iridium-titán anódok összköltsége jelentősen alacsonyabb, mint a tiszta platina anódoké és a hagyományos elektródáké. Anyagköltségük mindössze egyharmada-fele a tiszta platina anódokénak, míg élettartamuk többszöröse az ólomanódokénak. Alacsony ellenállása 10–20%-kal csökkenti az egyenáramú energiafogyasztást. Például egy 2,000 m³-es úszómedence-fertőtlenítő rendszer évente mindössze 3,800 kWh-t fogyaszt, ami 70%-os energiamegtakarítást jelent az ózonos fertőtlenítéshez képest. Továbbá a használt elektródák újrahasznosított értéke elérheti a 300–3,000 jüant kilogrammonként, ami a teljes életciklus-költséget több mint 58%-kal csökkenti a hagyományos megoldásokhoz képest, egyensúlyt teremtve a rövid távú befektetés és a hosszú távú előnyök között.

Ruténium-Iridium-Titán anódok gyártása

Az aljzat kulcsfontosságú eleme az anód élettartamának meghatározásában, és közvetlenül befolyásolja a bevonat és a titán aljzat közötti kötés szilárdságát. A homokfúvás nagy sebességű gyémánt csiszolóanyag permetezésével kezdődik, hogy érdesített felületet hozzon létre, növelve a fajlagos felületet. Ezt követi a pácolás és passziválás, ahol a titán aljzatot oxálsav vagy hidrogén-fluorid keverékébe merítik, hogy eltávolítsák a felületi oxidréteget és az olajszennyeződést, miközben egyidejűleg mikroszkopikus porózus szerkezetet hoznak létre, több mint háromszorosára növelve a bevonat tapadását. A Wstitanium mikroív oxidációs technológiát is alkalmaz, 20 000 V nagyfeszültséggel nanoskálájú méhsejt szerkezetet hozva létre a titán felületén, tovább fokozva a bevonat tapadását. Az elektrolízis hatékonysága 95.2%-ra nő.

1. Magbevonat

Jelenleg a ruténium-iridium-oxid bevonatok előállításának fő ipari módszere a termikus bomlás. Ez a technika pontosan szabályozza a hőmérsékletet és a légkört, lehetővé téve a bevonat összetételének és szerkezetének pontos szabályozását. Először egy bevonóoldatot készítenek úgy, hogy nemesfém-prekurzorokat, például klórruténsavat és klóriridsavat oldanak alkohol és sósav keverékében. Fémsók, például tantál és ón adhatók hozzá módosítószerként az alkalmazási követelményektől függően. Az anyalúgot ezután egyenletesen felviszik a titán hordozó felületére ecsettel vagy szórással. Miután az oldószer eltávolítása érdekében 120 °C-on szárították, a prekurzort egy kemencében 500-600 °C-on 10-15 percig szinterelik, a prekurzort oxidokká bontják, amelyek kémiailag kötődnek a titán hordozóhoz.

Az ideális teljesítmény elérése érdekében a bevonat több bevonatolási-szinterelési cikluson megy keresztül, végül egy egyenletes, 0.5-20 μm vastagságú bevonatot képezve. Az atomi rétegleválasztási (ALD) technológiát bevezették a csúcskategóriás gyártásban, amely lehetővé teszi a nanoskálájú bevonatvastagság szabályozását, és egy háromdimenziós hálózati struktúrát hoz létre, amely hatékonyan megakadályozza az elektrolit behatolását, és a bevonatveszteséget a hagyományos technológiákkal elért érték mindössze egyötödére csökkenti. Egyes alkalmazásokban gradiens bevonatkialakítást alkalmaznak, amely egy háromrétegű szerkezetet hoz létre, amely egy tantál alaprétegből, egy tantál-oxid átmeneti rétegből és egy irídium-ruténium-oxid fedőrétegből áll. Ez mérsékli a hőtágulási különbségeket, és 0.5% alá csökkenti a bevonat leválási sebességét.

2. Minőségellenőrzés

A szinterezett anód utófeldolgozáson megy keresztül, beleértve a hűtést, tisztítást és teljesítményvizsgálatot. A bevonatot először lassan lehűtik inert atmoszférában, hogy megakadályozzák a hőfeszültség okozta mikrorepedések kialakulását. Ezután ioncserélt vizet használnak a felületen maradt szennyeződések eltávolítására, és szükség esetén aktiválási kezelést végeznek a katalitikus aktivitás fokozása érdekében. A minőségellenőrzések számos kulcsfontosságú mutatóra kiterjednek: a bevonat vastagságát örvényáramú vastagságmérővel mérik, ±0.1 μm-en belüli pontossággal; a tapadást kereszt-sraffozásos módszerrel vizsgálják, amely megfelel az ASTM D3359 B osztálynak vagy magasabbnak; az elektrokémiai teljesítményt lineáris sweep voltammetriával mérik, 0.1 V alatti klórfejlődési túlfeszültséggel és legfeljebb 0.25 V-os oxigénfejlődési túlfeszültséggel. Továbbá gyorsított élettartam-tesztelésre van szükség, amely folyamatos működést igényel 3000 A/m² nagy áramsűrűséggel 1000 órán keresztül, a bevonat veszteségi arányának pedig 0.1 g/kA·h alattinak kell lennie a szállítás során.

1. Klór-alkáli ipar

A klóralkáli ipar a ruténium-iridium-titán anódok legnagyobb alkalmazási területe. A marónátron ioncserélő membrános eljárásában a ruténium-iridium-titán anódok katalizálják a sóoldat elektrolízisét, ami marónátront, klórt és hidrogént eredményez. Alacsony cellafeszültségük 10%-kal növeli az éves termelési kapacitást gyártósoronként, ami egyenértékű a standard szénfogyasztás évi 3,000 tonnával történő csökkentésével. Egy nagy klóralkáli gyártó vállalat adatai azt mutatják, hogy a ruténium-iridium-titán anódok bevezetése a marónátron tonnájára vetített villamosenergia-fogyasztást 2,400 kWh-ról 2,000 kWh alá csökkentette, ami több mint 10 millió jüant takarított meg az éves villamosenergia-költségeken. Az anód élettartama meghaladja a három évet.

2. Új energiaszektor

A hidrogén vízelektrolízissel történő előállításának területén a ruténium-iridium-titán anódok alacsony oxigénfejlődési túlfeszültségükkel a PEM elektrolizátorok alapvető alkotóelemeivé váltak, több mint 85%-ra növelve a hidrogéntermelés hatékonyságát. A lepidolitból történő lítiumkivonás során ruténium-iridium-titán anódokat használnak elektrokémiai kioldáshoz, ami a lítium kioldódási arányát a hagyományos eljárásokban mért 60%-ról kémiai szennyeződés nélkül több mint 90%-ra növeli.

3. Vízkezelés és -tisztítás

A vízkezelés során a ruténium-iridium-titán anódok kettős funkciót tölthetnek be: fertőtlenítést és szennyező anyagok lebontását. Az uszodák és az ivóvíz fertőtlenítésében alacsony koncentrációjú sóoldatot elektrolizálnak hipoklórossav előállítására, amely 80-szor hatékonyabb, mint a hagyományos klóros szerek. 30 másodpercen belül elpusztítják az E. coli 99.99%-át anélkül, hogy rákkeltő melléktermékeket, például kloroformot termelnének. Az ipari szennyvízkezelésben a ruténium-iridium-titán anódok háromszor nagyobb hidroxilgyök (・OH) koncentrációt termelnek, mint a hagyományos elektródák, így a nehezen lebontható szennyező anyagok, például a fenol és a cianid esetében a KOI eltávolítási arány meghaladja a 95%-ot, lehetővé téve, hogy a kezelt antibiotikumos szennyvíz megfeleljen a IV. osztályú felszíni vízi szabványoknak.

4. Galvanizálás és kohászat

A galvanizáló Az iparban a ruténium-iridium-titán anódok oldhatatlan anódként teljesen kiküszöbölik a hagyományos ólomanódokkal járó oldódási szennyeződési problémát. A krómozási és nikkelezési folyamatokban egyenletes árameloszlásuknak köszönhetően a bevonat vastagságának tűrése ±0.5 mikronon belül marad, így a sorjahibák 60%-kal csökkennek. Nemesfémek, például arany és platina galvanizálása során stabil anód reakciófelületet biztosítanak, a bevonat tisztaságát több mint 99.99%-ra növelve. A hidrometallurgiában az ólomalapú anódokat helyettesítik a réz és cink elektrolitikus finomításában, megakadályozva az elektrolit ólomion-szennyeződését, és 99.5%-ról 99.99%-ra növelve a katód réz tisztaságát. Az anód élettartama meghaladja a két évet.

5. Precíziós gyártás

Az elektronikai gyártásban ruténium-iridium-titán anódokat használnak a réz galvanizálásához 5G nagyfrekvenciás rézbevonatú laminátumokhoz. Áramsűrűségük egyenletessége a rézréteg vastagságának tűrését ±0.5 mikronon belül tartja, megfelelve a milliméteres hullámú jelátvitel követelményeinek. Nyomtatott áramköri lapok (NYÁK) átmenőfurat-bevonatolásánál egyenletes rézbevonat érhető el 5:1 mélység-átmérő arányú átmenőfuratoknál, 99%-ot meghaladó áteresztési aránnyal.