钛基复合电极材料的性能与生产应用研究

论文摘要

有色金属湿法冶炼工业是耗能大户。在电解沉积过程中,阳极是整个电化学反应体系的核心主体,其电解过程稳定性是容易被人忽视的环节,成为降低电积能耗的瓶颈。近年来,涂层钛电极因为具有尺寸稳定、析气过电位低、耐蚀性好、质量轻、强度高等优点,而一直成为该领域的研究热点。然而目前对钛阳极的研究较多的是围绕着钛基体表面涂层材料的调配和工艺优化展开,而载体材料对电极性能影响的研究却普遍被忽略。本文作者从基体材料的组成结构设计入手,打破传统电极采用单一金属（或合金）作为电极基体材料的结构模式,提出了层状复合结构的“三明治”式电极基体材料设计方案,制备成由铝或铜为内芯而外层由钛包覆的层状复合电极材料。通过对不同工艺参数下的Ti-Al、Ti-Cu层状复合材料进行界面形貌、导电性、界面结合强度和电化学性能分析等研究,结合试样制备工艺,对热压扩散焊接工艺参数进行了优化。制备Ti-A1层状复合材料的最佳工艺为：复合温度550℃,保温时间90min,恒压6MPa,通入氩气保护；制备Ti-Cu层状复合材料的最佳工艺为：复合温度800℃,恒压10MPa、保温时间60min、通入氩气保护。在电极基体材料上涂覆Ti/Ru02析氯涂层和Ti/IrO2-Ta2O5析氧涂层制成DSA阳极,对各种涂层阳极进行了表面形貌观察和电化学性能测试,分析比较Ti-Al、Ti-Cu两种不同内芯的层状复合材料的电化学性能。在LSV和CV分析测试中发现,层状复合基体材料阳极的电化掌性能却有明显的增强,采用EIS分析方法对不同电极材料的电化学催化特点进行分析,认为层状复合电极材料的性能提升并非由活性氧化物涂层析氧电催化能力的提高所直接引起的,而是由电极基体部分的电阻减小,使得电极整体电阻的减小,表现出从电极到反应物的电子完整传递过程的阻力降低,从而有效提高了阳极板的电化学性能。验证了复合阳极材料在实际生产电解中的应用效果,分别在150～350A/m2的电流密度下进行了模拟生产实验。对其电积槽电压、电流效率、电能单耗和阴极镍品质进行了研究,结果表明Ti-Al、Ti-Cu复合电极的槽电压比传统电极板低约70-150mv,其槽电压降低约2.3-5.0%；电流效率与传统电极板比提高了9.7%和7.3%,其中Ti-Cu复合电极节省直流电耗10.1%,节能降耗效果明显；层状复合电极材料的阴极镍产品质量优良,成分合格。对层状复合电极材料的节能降耗机理进行了分析,认为层状复合材料充分发挥各层金属的特殊性质,使得极板表面的电流分布更加均匀,提高了电流效率,结合铝、铜极板内芯槽电压降低和电化学性能增强,综合作用于电解过程,降低了电能消耗。文献检索表明目前国内外尚未见此报道。本项目的研究不仅对降低湿法冶金工业能耗意义重大,而且还可推动电化学工业的技术进步,对电极材料应用行业将具有深远的历史意义,为建设节约型、低能耗的可持续发展社会作出贡献。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 工业用阳极材料的发展
• 1.3 钛涂层阳极材料的研究进展
• 1.3.1 钛阳极的优点
• 1.3.2 钛阳极的分类
• 1.3.3 钛阳极的研究现状
• 1.3.4 钛阳极的缺点
• 1.4 其它阳极基体材料研究
• 1.5 电极反应工程学基础理论
• 1.5.1 电极在电解工业中的作用
• 1.5.2 电极反应工程中影响直流电耗的主要因素
• 1.5.3 电极反应工程中电极表面的电位及电流分布
• 1.6 本课题组在该领域研究的前期工作基础
• 1.7 本课题主要研究内容和研究方法
• 1.8 本课题研究意义
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验材料与试剂
• 2.2 实验设备与测试仪器
• 2.3 不溶性阳极的制备
• 2.3.1 Ti-Al、Ti-Cu层状复合基体材料的制备
• 2.3.2 层状复合基体材料的表面预处理
• 2.3.3 活性涂层前驱体溶液的配制
• 2.3.4 涂层前驱体溶液的涂覆
• 2.3.5 阳极涂层的烧结成形
• 2.4 钛阳极基体材料导电率的测定
• 2.5 不溶性阳极电化学性能测试
• 2.6 模拟生产试验
• 2.6.1 阳极规格及试验装置
• 2.6.2 电解试验条件
• 2.6.3 测试指标
• 2.7 本章小结
• 第三章 TI-AL、TI-CU层状复合电极材料的制备工艺参数优化
• 3.1 TI-AL复合材料制备工艺参数优化
• 3.1.1 热压扩散焊法制备的Ti-Al层状复合电极材料的界面组织形貌
• 3.1.2 不同保温时间对Ti-Al层状复合电极材料的力学协同性能的影响
• 3.1.3 不同保温时间对Ti-Al层状复合电极材料的电阻率的影响
• 3.1.4 不同保温时间对Ti-Al层状复合电极材料阳极极化性能的影响
• 3.2 TI-Cu复合材料制备工艺参数优化
• 3.2.1 热压扩散焊法制备的Ti-Cu层状复合材料界面形貌分析
• 3.2.2 不同制备温度对Ti-Cu层状复合电极材料的力学协同性能的影响
• 3.2.3 不同制备温度对Ti-Cu层状复合电极材料的电阻率的影响
• 3.2.4 不同制备温度对Ti-Cu层状复合电极材料的电化学性能的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 电极基体材料的变化与材料电化学性能的变化之关系
• 4.1 不同基体材料的导电性分析
• 4.2 不同基体材料涂层电极表面形貌及成分的分析
• 4.3 涂层基体材料变化对电极电化学性能的分析
• 4.3.1 稳态极化曲线测试
• 4.3.2 循环伏安曲线分析
• 4.3.3 交流阻抗分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 钛基复合电极材料的模拟实际生产应用试验及分析
• 5.1 电极基体材料变化对电极槽电压的影响
• 5.2 电极基体材料变化对电极电流效率的影响
• 5.3 电极基体材料变化对阳极液镍离子浓度的影响
• 5.4 电极基体材料变化对电极电能单耗的影响
• 5.5 电极基体材料变化对电极最佳电解电流密度的影响及分析
• 5.6 电极基体材料变化对阴极镍品质的影响
• 5.7 层状复合材料节能机理分析
• 5.8 层状复合电极材料产业化应用前景评价
• 5.8.1 电极性能评价
• 5.8.2 电积产品产量分析
• 5.8.3 电极过程能耗分析
• 5.9 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 存在问题与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录B 攻读硕士学位期间所参加科研项目