第4章電極材料和膜材料PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1第第4章電極材料和膜材料章電極材料和膜材料n金屬陽極金屬陽極，陳康寧，陳康寧，19891989第1頁/共95頁n6 6、離子交換膜、離子交換膜第2頁/共95頁 碳和石墨在電化學(xué)中的應(yīng)用發(fā)展：碳和石墨在電化學(xué)中的應(yīng)用發(fā)展： 首先用于首先用于Volta電池，電池，1896年年Acheson研制人研制人造石墨的成功，具有重大意義，它首先被用于造石墨的成功，具有重大意義，它首先被用于氯堿工業(yè)。氯堿工業(yè)。第3頁/共95頁第4頁/共95頁u 碳和石墨的結(jié)構(gòu)：碳和石墨的結(jié)構(gòu)： 碳和石墨制品壓制、燒結(jié)后，內(nèi)部存在碳和石墨制品壓制、燒結(jié)后，內(nèi)部存在大量微大量微孔孔，工業(yè)上常用，工業(yè)上常用孔隙率孔隙率、假

2、密度假密度、真密度真密度表征這表征這一結(jié)構(gòu)特點。一結(jié)構(gòu)特點。第5頁/共95頁第6頁/共95頁第7頁/共95頁濃硝酸、王水)及鹽作用外，在一般的電解液中是穩(wěn)定的。第8頁/共95頁nu陰極材料陰極材料：不致發(fā)生電化學(xué)腐蝕，研究焦點：電催化活性。第9頁/共95頁（68個月）更換石墨陽極和隔個月）更換石墨陽極和隔膜。膜。第10頁/共95頁第11頁/共95頁第12頁/共95頁應(yīng)形成產(chǎn)物的電解合成中，是合適的陰極材料，可獲得較高的產(chǎn)率及電流效率。第13頁/共95頁碳和石墨在有機電合成中的應(yīng)用碳和石墨在有機電合成中的應(yīng)用第14頁/共95頁低（10-210-4mol/L)的污水中回收，使其濃度下降為1或更低。

3、第15頁/共95頁第16頁/共95頁化，生成屬于消耗性的活性陽極?；蓪儆谙男缘幕钚躁枠O。第17頁/共95頁n良好的電子導(dǎo)電性；穩(wěn)定耐蝕。良好的電子導(dǎo)電性；穩(wěn)定耐蝕。第18頁/共95頁n第19頁/共95頁第20頁/共95頁n（3）由于析氯過電位低，可提）由于析氯過電位低，可提高電流密度，即生產(chǎn)強度，使高電流密度，即生產(chǎn)強度，使電化學(xué)反應(yīng)器的時空產(chǎn)率大為電化學(xué)反應(yīng)器的時空產(chǎn)率大為提高。提高。i=1550A/m2，石墨陽極析氯過電位330mv，DSA2030mv第21頁/共95頁第22頁/共95頁第23頁/共95頁12345第24頁/共95頁第25頁/共95頁液、涂覆、熱分解氧化等。液、涂覆

4、、熱分解氧化等。第26頁/共95頁極的壽命；極的壽命；nRu含量過高，不僅使電極成本上含量過高，不僅使電極成本上升，且使涂層過厚，與鈦基體結(jié)升，且使涂層過厚，與鈦基體結(jié)合力變差。合力變差。第27頁/共95頁RuRu含量愈大，催化含量愈大，催化活性愈高，過電位活性愈高，過電位愈低。愈低。涂層中涂層中Ru含量對析氯過電位的影響含量對析氯過電位的影響第28頁/共95頁第29頁/共95頁DSADSA電極失活過程中陽極電位的變化電極失活過程中陽極電位的變化第30頁/共95頁RuO2 TiO2組成及結(jié)構(gòu)不斷變化，組成及結(jié)構(gòu)不斷變化，而而Ru的溶解則是導(dǎo)致電極失效的的溶解則是導(dǎo)致電極失效的主要原因。主要原因

5、。第31頁/共95頁第32頁/共95頁第33頁/共95頁無機電合成、有機電合成、水處無機電合成、有機電合成、水處理及陰極保護的陽極材料理及陰極保護的陽極材料第34頁/共95頁第35頁/共95頁腐。腐。第36頁/共95頁第37頁/共95頁第38頁/共95頁在不同工作介質(zhì)可供選擇的不溶性陽極材料在不同工作介質(zhì)可供選擇的不溶性陽極材料工作介質(zhì)工作介質(zhì)可使用的陽極可使用的陽極不能使用的陽極不能使用的陽極備備 注注硫酸鹽硫酸鹽 鉻酸鹽鉻酸鹽濃氯化物濃氯化物鹽酸鹽酸稀氯稀氯化物化物堿性堿性溶液溶液各種鹵化物各種鹵化物苛性堿苛性堿第39頁/共95頁n電化學(xué)反應(yīng)器停止工作時可能發(fā)生的腐蝕。第40頁/共95頁第

6、41頁/共95頁n活性氫陰極活性氫陰極：對析氫反應(yīng)的催化活性比鐵陰極更高的一類新型陰極材料。第42頁/共95頁n提高電極的電催化活性，研提高電極的電催化活性，研制具有更大交換電流密度的陰制具有更大交換電流密度的陰極材料。極材料。n如：為了發(fā)揮鉑系元素對析氫如：為了發(fā)揮鉑系元素對析氫反應(yīng)的優(yōu)良電催化活性，研制反應(yīng)的優(yōu)良電催化活性，研制了多種含貴金屬的陰極材料。了多種含貴金屬的陰極材料。降低析氫過電位的措施：降低析氫過電位的措施：第43頁/共95頁n第44頁/共95頁 氫陰極和氧陰極電解槽槽壓分析（估算值）氫陰極和氧陰極電解槽槽壓分析（估算值）第45頁/共95頁氫陰極：氫陰極：氧陰極：氧陰極：第4

7、6頁/共95頁第47頁/共95頁第48頁/共95頁氧陰極電解槽示意圖氧陰極電解槽示意圖第49頁/共95頁第50頁/共95頁參考文獻：參考文獻：何慕芳何慕芳.國內(nèi)外氧陰極在食鹽電解工業(yè)上的應(yīng)用情況，氯堿工國內(nèi)外氧陰極在食鹽電解工業(yè)上的應(yīng)用情況，氯堿工業(yè)，業(yè)，1990.10梅濤梅濤.納米鐵納米鐵/碳納米管復(fù)合氧陰極電碳納米管復(fù)合氧陰極電-Fenton降解降解RhB ，化，化工進展，工進展，2007.08第51頁/共95頁濟指標提高，甚至產(chǎn)生一種新的濟指標提高，甚至產(chǎn)生一種新的生產(chǎn)方法或新的電化學(xué)反應(yīng)器。生產(chǎn)方法或新的電化學(xué)反應(yīng)器。n如：全氟離子交換膜的開發(fā)，如：全氟離子交換膜的開發(fā)，使宇航用燃燒電

8、池得以在使宇航用燃燒電池得以在NASA空間計劃中成功應(yīng)用?？臻g計劃中成功應(yīng)用。第52頁/共95頁第53頁/共95頁第54頁/共95頁酸。酸。第55頁/共95頁石棉的穩(wěn)定性（在石棉的穩(wěn)定性（在25溶液中的失重，質(zhì)量）溶液中的失重，質(zhì)量）第56頁/共95頁溫石棉的物理化學(xué)性質(zhì)溫石棉的物理化學(xué)性質(zhì)第57頁/共95頁石棉及其它幾種纖維的直徑及比表面積石棉及其它幾種纖維的直徑及比表面積第58頁/共95頁n石棉沉積在陰極鐵絲網(wǎng)上。石棉沉積在陰極鐵絲網(wǎng)上。n（3）加熱干燥。）加熱干燥。第59頁/共95頁第60頁/共95頁第61頁/共95頁n第62頁/共95頁電壓降低。電壓降低。第63頁/共95頁第64頁/共

9、95頁一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)二、離子交換膜的分類二、離子交換膜的分類三、離子交換膜的性能三、離子交換膜的性能四、氯堿工業(yè)用離子交換膜四、氯堿工業(yè)用離子交換膜第65頁/共95頁一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)第66頁/共95頁平衡的離子。平衡的離子。n當膜置于電解質(zhì)溶液中，當膜置于電解質(zhì)溶液中，會會發(fā)生電離作用，其中活性離子進發(fā)生電離作用，其中活性離子進入電解質(zhì)溶液中，而固定離子則入電解質(zhì)溶液中，而固定離子則保留在基膜上，形成能吸引正離保留在基膜上，形成能吸引正離子或負離子的電荷點位子或負離子的電荷點位一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)第67頁/共95頁一、離子交

10、換膜的結(jié)構(gòu)一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)例如：例如： 交聯(lián)聚苯乙烯磺酸（陽膜）在水中可電離為交聯(lián)聚苯乙烯磺酸（陽膜）在水中可電離為RSO3和和H，H遷移入水中，而遷移入水中，而RSO3則停留在則停留在膜上作為固定離子，它固定在通道表面不動，建立膜上作為固定離子，它固定在通道表面不動，建立起一個負電場，從而在外加直流電場的協(xié)同作用下起一個負電場，從而在外加直流電場的協(xié)同作用下，把溶液中運動的正離子吸引過來而讓其透過，溶，把溶液中運動的正離子吸引過來而讓其透過，溶液中的負離子因受到排斥而不能透過。液中的負離子因受到排斥而不能透過。第68頁/共95頁絡(luò)結(jié)構(gòu)模型絡(luò)結(jié)構(gòu)模型”較為人接受。較為人接受。一、離子交換膜

11、的結(jié)構(gòu)一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)第69頁/共95頁一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型認為，可離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型認為，可將全氟離子膜的結(jié)構(gòu)分為三個將全氟離子膜的結(jié)構(gòu)分為三個區(qū)：區(qū)：A區(qū)：憎水的碳氟主鏈區(qū)；區(qū)：憎水的碳氟主鏈區(qū)；C區(qū)：由水分子、固定離子、區(qū)：由水分子、固定離子、相對離子和部分碳氟高聚物側(cè)相對離子和部分碳氟高聚物側(cè)鏈構(gòu)成的鏈構(gòu)成的“離子簇區(qū)離子簇區(qū)”；B區(qū)：此兩相間的過渡區(qū)。區(qū)：此兩相間的過渡區(qū)。離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖第70頁/共95頁一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型離子膜具有選擇透過性的原理：離子膜具有

12、選擇透過性的原理：全氟離子膜內(nèi)各離子簇間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是膜內(nèi)離子和水分全氟離子膜內(nèi)各離子簇間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是膜內(nèi)離子和水分子遷移過程的唯一通道。由于離子簇的周壁帶有負電荷的固子遷移過程的唯一通道。由于離子簇的周壁帶有負電荷的固定離子，而各離子簇之間的通道既短又窄，因而對于帶負電定離子，而各離子簇之間的通道既短又窄，因而對于帶負電的且水化半徑較大的的且水化半徑較大的OHOH的遷移阻力遠遠大于的遷移阻力遠遠大于 NaNa+ +。4.0nm第71頁/共95頁n：換樹脂與成膜高分子母體成為一換樹脂與成膜高分子母體成為一相，離子交換基團分布均勻且連相，離子交換基團分布均勻且連續(xù)，并有良好的電化學(xué)性能。續(xù)

13、，并有良好的電化學(xué)性能。第72頁/共95頁n(R-COOH)，離解度小，易受，離解度小，易受pH影影響，適于堿性介質(zhì)中使用響，適于堿性介質(zhì)中使用(如氯如氯堿工業(yè)堿工業(yè))。二、離子交換膜的分類二、離子交換膜的分類第73頁/共95頁n度低，易受度低，易受pH影響，適用于酸性影響，適用于酸性介質(zhì)。介質(zhì)。二、離子交換膜的分類二、離子交換膜的分類第74頁/共95頁二、離子交換膜的分類二、離子交換膜的分類第75頁/共95頁第76頁/共95頁第77頁/共95頁 pK值較小時，表示交換基團較易離解，膜的導(dǎo)值較小時，表示交換基團較易離解，膜的導(dǎo)電性能也較高。電性能也較高。第78頁/共95頁易滿足易滿足pHpK的

14、條件，即膜外溶的條件，即膜外溶液的液的pH值可在較大范圍內(nèi)變化。值可在較大范圍內(nèi)變化。第79頁/共95頁小結(jié)小結(jié)：離子膜的：離子膜的pKpK值是決定其工作條件及電導(dǎo)率的值是決定其工作條件及電導(dǎo)率的重要因素之一，膜的重要因素之一，膜的pKpK值取決于膜的組成、結(jié)構(gòu)。值取決于膜的組成、結(jié)構(gòu)。第80頁/共95頁交換基團的干膜的質(zhì)量，為交換容量的倒數(shù)。三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）第81頁/共95頁低，機械強度變差。低，機械強度變差。三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）第82頁/共95頁換膜則穩(wěn)定耐蝕，得到成功的應(yīng)換膜則穩(wěn)定耐蝕，得到成功的

15、應(yīng)用。用。三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）第83頁/共95頁三、離子交換膜的性能（機械、物理性能）三、離子交換膜的性能（機械、物理性能）第84頁/共95頁三、離子交換膜的性能（機械、物理性能）三、離子交換膜的性能（機械、物理性能）第85頁/共95頁n交換容量增大時，機械強度下交換容量增大時，機械強度下降；提高交聯(lián)度或結(jié)晶度可改善降；提高交聯(lián)度或結(jié)晶度可改善機械強度，卻使膜失去柔性，變機械強度，卻使膜失去柔性，變得更脆。采取增強網(wǎng)布的方法，得更脆。采取增強網(wǎng)布的方法，可使膜的機械強度提高可使膜的機械強度提高（2）膜的機械強度）膜的機械強度三、離子交換膜的性能（機械、物理性能）三、離子交換膜的性能（機械、物理性能）第86頁/共95頁耗。耗。三、離子交換膜的性能（電化學(xué)性能）三、離子交換膜的性能（電化學(xué)性能）第87頁/共95頁水率，波及膜的導(dǎo)電性能。水率，波及膜的導(dǎo)電性能。三、離子交換膜的性能（電化學(xué)性能）三、離子交換膜的性能（電化學(xué)性能）第88頁/共95頁三、離子交換膜的性能（電化學(xué)性能）三、離子交換膜的性能（電化學(xué)性能）SF陽離子交換膜的電導(dǎo)率與交換容量、含水率的關(guān)系陽離子交換膜的電導(dǎo)率與交換容量、含水率的關(guān)系第89頁/共95頁1miiittPttim：i離子在膜