涂層鈦電極是一種以金屬作為基體，在表面涂敷以鉑族金屬氧化物為主要組分的活性涂層的新型電極，國內外一般稱為DSA (Dimensionally StableAnode)。

1965年荷蘭人Beer公布了RuTi混合氧化物涂層專利，1968年意大利De Nora公司首先在氯堿行業實現了鈦電極工業化，之后鈦電極在全世界各電解行業獲得廣泛應用，現已廣泛應用于化工、冶金、電鍍、水處理、環保、海洋、陰極保護等領域中。

1、化工行業用鈦陽極

鈦陽極直接且經常與化學性質極活潑的濕氯氣、新生態氧、鹽酸，以及次氯酸等接觸，因此陽極材料應具有較強的耐化學腐蝕性、氯過電位低、導電性能良好、機械強度高、易于加工、價格便宜、易于獲得。

1.1 氯堿工業

電解食鹽水溶液制取氯氣和燒堿已有100多年的歷史，在氯堿生產發展過程中，曾試用過鉑、磁性氧化鐵、碳、人造石墨等做電極，經過多年探索人們終于找到比較理想的涂層，ri電極材料。Beer發明的RuTiO₂涂層電極最早用作水銀法生產氯氣用陽極，電極耐鈉汞極腐蝕，獲得成功。

RuTi涂層電極在氯堿生產中使用，具有損耗量極小，析氯電位大幅度降低、尺寸形狀穩定、產生的氯氣氣泡容易脫離、在電解液中不滯留等優點，因此迅速取代了石墨電極。20世紀80年代末氯堿工業用鈦電極在日本已有1×105m2以上，全世界有1×106m2以以上。以國內常用的30型電槽為例，即全世界裝配有3萬多臺30型鈦電極電槽。一臺30型電槽使用鈦材為210kg，則鈦電極電槽使用了7 X 106kg鈦材?？梢?，氯堿工業是鈦電極使用量最大的一個部門。

鹽水電解時，陽極上主反應為析氯反應，副反應為析氧反應。對涂層電極要求是氯過電位小，而氧過電位高，但RuTiOx涂層經過長時間使用后析氧電位也低，即對析氯反應和析氧反應都具有很高的電催化活性，對反應的選擇性不好，造成陽極產物氯氣中含氧量增高，這是不希望的。研究發現，往涂層中添加IrO₂，SnO₂后可保留RuTiOx涂層高的析氯電流效率優點，還可降低氯氣中氧含量。因此，氯堿生產目前使用的大多是RuIrTiOx 或RuSnTiOx三元組分混合涂層。

由于鈦陽極涂層大量使用鉑族金屬，造成鈦陽極制造成本增高。納米科技被認為是21世紀三大科技之一，可以考慮在微觀上提高涂層中金屬氧化物的高比表面，使其產生高活性，在少用或不用貴金屬的情況下，也能保持鈦陽極優良的性能。國內外在20世紀90年代中期已開始把納米科技與電催化科學結合起來，用氣相沉積法制備了納米級的Ru02，lrO₂；用溶膠一凝膠法制備了納米級釕鈦混合氧化物。

1.2 氯酸鹽生產

氯酸鹽采用無隔膜電解槽，原料為飽和氯化鈉溶液。

食鹽水電解制取氯酸鹽，過去使用石墨、磁性氧化鐵、二氧化鉛等陽極材料，現在使用RuO₂系涂層鈦陽極。

氯酸鹽石墨陽極電槽，電流效率為82％～87％。采用金屬陽極后，電流密度增大3～4倍，電流效率提高到約95％；還可采用高溫操作，直流電耗明顯降低。

提高溫度，可使形成C103 的化學反應速度增大，電流效率提高，但是，溫度提高將加劇電解液對電極材料及設備的腐蝕。因此，電解溫度的選擇受制于材料的耐蝕性。在使用石墨陽極時，一般只能在35℃ ～40℃ 下電解，而采用DSA時卻可以在80℃下電解。

提高電流密度可使生產效率提高，減少設備投資，但卻使槽電壓升高，增大能耗，電流密度取決于電極材料的電催化活性和穩定性。采用石墨陽極，電流密度一般只能在600A／m 以下，采用DSA后，電流密度可達到2 000A／m ～3 000A／m2。

1.3 次氯酸鹽生產

大批量的次氯酸鈉是用化學法進行生產。近些年來，一種小型的隨時隨地為用戶制造少量次氯酸鈉溶液的電解裝置，由于結構簡單、成本低廉、使用和維護方便而獲得廣泛應用，主要用在醫院污水處理、電鍍工廠廢水處理、礦山含氰廢水處理、環境保護、衛生防疫等方面。

電解制取次氯酸鈉采用無隔膜電解，原料為鹽水，電解時陽極反應析出的氯氣溶于電解液后生成HC1和HClO，陰極析出H2后生成的OH 離子，與產生的H 結合，生成H2O和NaC1O。

次氯酸鈉發生裝置中的陽極材料，在國外多用Pt，IrRu合金和Ti鍍Pt電極，但價格昂貴，故難以推廣使用。國內過去常使用石墨和二氧化鉛， 目前主要使用涂層鈦電極。

廣州有色金屬研究院研制的Ru—Ir-Sn—Mn—Ti五元涂層鈦電極用于電解制取次氯酸鈉裝置中，克服了使用其它電極所存在的問題，具有電流效率高、導電性好、工作壽命長等優點， 目前已用于武漢儀表廠等全國多家環保設備廠中，用該鈦電極裝配的大型次氯酸鈉發生器已出口巴基斯坦等國家。

2、電解銀催化劑生產用鈦電極

甲醛、乙醛是重要的化工原料，使用電解銀催化劑可使甲醛生產實現高效低耗。但是，過去電解銀催化劑生產使用的是鉑電極，鉑價格昂貴且我國短缺，這樣便妨礙了電解銀催化劑的推廣使用。曾使用過純鈦板作為陽極，但運轉不久鈦板就被腐蝕掉，因為Ag的標準電極電位值是+0.8V，Ti是-1.63V，Ti比AG優先成為離子進入溶液，故易被腐蝕。

Ru系涂層鈦電極耐蝕性良好。

RuO₂+2H20一>RuO4 +4H +e

即RuO₂氧化為Ru0O4，反應的標準電位值為+1．387V， 所以在銀催化劑生產中，在陽極上只發生ag的溶解，而Ru系涂層電極不發生電化學過程。

對涂層鈦陽極進行失重試驗，原重29.7991g，在1 400 A／m2下電解運轉1個月后稱重， 為29.7984g，僅減重0.0007g，說明鈦陽極的損耗量非常微小。

由于鈦陽極易于制造，材料來源容易，價格便宜，僅為鉑價格的1/25，因此很有利于推廣。廣州溶劑廠使用涂層鈦電極代替鉑電極，所生產的銀催化劑用在甲醛、乙醛生產上完全達到工藝要求，取得良好經濟效果。每生產1 t甲醛，甲醇單耗降低26 。鈦陽極在生產過程中顯示出良好的導電性和耐蝕性，所生產的銀催化劑質量、活性均符合要求。

目前廣州溶劑廠、北京維尼倫廠等多家工廠均使用了廣州有色金屬研究院的鈦電極。使用鈦電極后，每家工廠可節省鉑0.5kg，全國以100家工廠算，可節省50kg鉑，為500萬元。

3、電積提取有色金屬用鈦陽極

電積提取金屬采用不溶性陽極，使經浸出、凈化處理的電解液中的待提取金屬離子在陰極還原，制得純金屬。電解冶金在濕法冶金工業中已占很大比重，所生產的有色金屬有Zn，Cd，Cu，Mn，Co，Ni和Cr等。

電積提取金屬的最大困難是選用合適的陽極材料，對陽極要求穩定、耐蝕，可長期使用，對陽極過程具有良好的電催化活性，以降低陽極反應的過電位和槽電壓。近些年來電積提取金屬工業已廣泛使用涂層鈦電極。廣州有色金屬研究院研制的涂層鈦陽極，包括以Ir為主成分的新涂層鈦陽極和Ir—RuPdTi四元涂層鈦陽極在國內眾多廠家均已得到良好應用。

3.1 氯化物溶液電積提取金屬

氯化物溶液電積金屬，工廠過去使用石墨陽極。石墨材料電阻大，因此電能消耗大；石墨陽極強度低，容易損耗，工作壽命短；石墨污染陰極產品，很難獲得高純金屬。

氯化物溶液電解時，陽極上主要發生放氯反應，析出氯氣，活性涂層最主要的特性是氯過電位低，導電性能好，耐氯腐蝕性強，陽極使用壽命長。氯化鈷溶液電積Co時，石墨陽極只能用幾個月，而涂層鈦陽極工作壽命則長達4年。氯化鈷溶液電積時，石墨陽極槽電壓為4.1V，涂層鈦陽極為3.7 V，降低了0.4V；電流效率從91.5％提高到94％；生產1tCo節 省電能400 kW·h，即節電11％。使用石墨陽極時，CO中含碳量高，1級品鈷低，改用Ti電極后，產品全部達到l級品的標準。文獻[9]報道，工業電流密度范圍內氯化鎳溶液電積鎳時，250A/m2時涂層鈦電極的氯過電位值為0.1979V，過電位值很小，說明涂層鈦電極電催化活性很高。全國電解生產金屬鈷的工廠基本上都使用了鈦電極。

3.2 硫酸鹽溶液電積提取金屬

硫酸鹽溶液電積金屬一般使用鉛基合金電極，但在電解生產過程中，鉛陽極會溶解，既消耗陽極材料，又影響陽極工作壽命，而且溶解在溶液中的鉛會在陰極上析出，使金屬中鉛雜質含量增高，降低了產品質量。

硫酸鹽溶液電積金屬時，陽極上主要產生氧氣，活性涂層最重要的特性是對氧的電催化活性高，導電性能好。對氧的耐久性好，陽極工作壽命長。

在硫酸鎳溶液電積鎳時，鉛銀陽極的交換電流密度值為17.9×10一 A/cm2；釕鈦涂層電極為3.85×10-5A／em2，而以Ir為主要成分的三元或四元組分的新涂層鈦電極則為23.44×10-7A/cm2。交換電流密度值越大，則所需過電位越小，反應速度越高，說明電極電催化活性越高?？梢?，新涂層鈦電極電催化活性大大優于其它兩種。新涂層鈦陽極導電性能好，與鉛銀陽極相比，槽電壓可降低0.5V，每生產1 t Ni節約電能485.72 kW ·h，即節電17.54％。

3.3 氯化物硫酸鹽混合溶液電積提取金屬

氯化物硫酸鹽混合體系電解時，陽極上同時析出氯氣和氧氣，對陽極材料腐蝕非常嚴重，與單一鹽類體系相比，陽極處于更苛刻條件下工作，研究難度大為增加。

IrRuPdrri四元涂層鈦陽極適合在氯化物硫酸鹽混合溶液電積金屬中使用，新涂層鈦陽極顯示良好的性能，在電冶廠鈷生產中使用，工作壽命可達8～10個月，基本上解決了腐蝕問題。

4、電解法制取離子水(堿性離子水和酸性離子水用鈦陽極)

正常健康人體的酸堿度范圍為pH7.36～7.44，這是人體進行正常的新陳代謝的必要條件。但隨著生活水平的提高，人們食譜中酸性食物與堿性食物的比例遠遠超過正常比例(1：2)。加之城市環境污染和生活節奏加快造成的精神緊張，使人體內的酸堿度平衡系統失調，導致人形成酸性體質，即亞健康狀態，這是導致現代病(高血壓、高血脂、高血糖等)的重要原因。長期飲用堿性水或飲料，可使人從酸性體質恢復到正常狀態。

堿性離子水可直接治療慢性下痢、消化不良、胃腸內異常發酵、胃酸過多等疾病，對其他現代病是通過改善人體新陳代謝功能、消除有害的酸性代謝產物自由基、增強體質起預防和提高抗病能力的作用；酸性離子水具有抑制細菌生長、消毒、收斂的作用。

在電解離子水生成器中自來水通過過濾后，進入生成器中的電解槽，經過電解作用，在陰極區產生堿性離子水，在陽極區產生酸性離子水。離子水生成器操作特點是間斷操作，每天只電解運轉5 min～ 10 min，以及陰、陽極經常反向電解。廣州有色金屬研究院研制的涂層鈦電極裝配在離子水生成器中，可產出優質的堿性離子水和酸性離子水，各方面性能可與鈦鍍鉑電極相比。涂層鈦電極價格便宜，部件國產化后，使離子水生成器整機價格大幅度降低，裝有鈦電極的離子水生成器已成批地投入市場。

5、電鍍行業用鈦陽極

鍍金工藝過去使用鈦鍍鉑電極，既價高，又需從國外進口。另外，把一價金離子氧化成三價金離子，還降低電流效率，氧化破壞檸檬酸緩沖劑，破壞鍍液的穩定性。使用涂層鈦陽極可保持鍍液穩定，鍍件表面狀態和鈦鍍鉑電極的鍍金件沒有區別。涂層鈦電極價格便宜，是鈦鍍鉑價格的1/3，且不需要進口。鍍鉻通常采用鉛基合金陽極。鍍鉻溶液由硫酸和鉻酸配制而成，腐蝕性相當強。文獻報道，IrO₂ ·Ta2O₅涂層是耐硫酸腐蝕的最好電極材料。制造電視機、電腦玻璃熒屏時，在高溫、弱堿性熔融玻璃料腐蝕下，為了制得表面光滑的玻璃熒屏，鋼模表面要鍍上硬鉻，采用IrO₂ ·Ta2O₅涂層鈦陽極，幾年來使用情況良好。

近些年來，人們對白金首飾品興趣日增，鍍白金首飾品，實際上是電鍍銠。IrO₂ ·Ta2O₅涂層鈦陽極已用在鍍銠行業中。

6、結語

涂層鈦電極問世后，從其優異的性能，很快便在許多電解工業部門中獲得應用，在國民經濟生產中創造良好經濟效益的同時，也為鈦材推廣應用開辟了一條很好的途徑。

相關鏈接