电流密度变化对氯碱电解阴阳极的影响

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风能是一种绿色环保的可再生能源,但风能的高度不稳定性,导致风电具有大幅度、随机波动特性,制约风电在电网中应用的比例。非并网风电理论提出将风电的终端直接应用于负载,不仅可避免风电对电网的冲击,而且可降低风电成本,使大规模风电利用成为可能。氯碱工业是耗能大户,电解的电耗约占制碱成本的50%,如能将非并网风电应用于氯碱工业将有效地降低其生产成本。因此,模拟风电波动特性研究其对氯碱电解过程的影响有重大意义。  本文旨在研究电流波动对氯碱电解阴阳极的影响,在实验室条件下模拟风电波动,在电流密度为0.2~0.6A/cm2条件下进行长时间的电解实验,然后对电解后的电极进行电化学性能测试,并结合XRD、SEM和EDS等检测手段研究变化电流密度下电解对RaneyNi阴极和DSA阳极电化学性能的影响。实验主要考查三个部分,电流密度阶段性变化对电极的影响,电流密度按正弦波连续变化对电极的影响和自制Ni-Mo、Ni-Mo-X(X=W、Co)活性阴极对电流密度不规则变化电解的适应情况。  电流密度阶段性变化情况下,阴极析氢过电位比未电解电极最高高出74mV,析氢反应活性降低;阳极析氯过电位先降低后基本维持不变,此为阳极的一个活化过程。在阴极区,在E<-0.9V时发生析氢反应,高电位区,基体发生氧化,出现氧化峰;在阳极区,E>1.1V时氯气开始析出,析氯电位稳定,高电位区电流波动明显增大,氯气析出影响传质过程。化学反应过程均经历了活化过程,表现为反应电阻先增大后减小到稳定。电极适应电流阶段性变化的性能良好,但伴随活性物质溶出,电极寿命损耗。  电流密度按正弦波变化情况下,阴极析氢过电位比未电解电极仅高出26mV,可见Raney Ni对电流连续规律变化的适应能力良好;DSA阳极比未电解阳极的析氢过电位高出10mV,亦表现出阳极良好的稳定性,XRD分析表明,电极内部出现氧化物Ti6O,说明电解过程使得阳极的裂纹增大,基体被氧化,从而损害阳极寿命。Raney Ni阴极在E<-0.9V时发生析氢反应,阴极电化学稳定性良好。DSA阳极E>1.1V时氯气开始析出,析氯电位基本稳定,与过电位测量结果吻合。由电化学阻抗分析可知阴阳极电化学反应过程均经历了活化过程,表现为电阻先增大后减小到稳定,同时反应过程伴随活性物质溶出,电极表面被破坏。  通过脉冲电镀制备Ni-Mo、Ni-Mo-W、Ni-Mo-Co合金电极,与低碳钢阴极相比,其析氢过电位分别降低了145mV、185mV、211mV。其析氢活性排序为Ni-Mo-Co>Ni-Mo-W>Ni-Mo。经过长时间电解后,Ni-Mo合金的析氢过电位降低,这与Mo的溶出导致镀层孔隙率增加有关。Ni-Mo-W、Ni-Mo-Co合金电极的析氢过电位有所增加,但仍然小于同等条件下低碳钢的析氢过电位。经过长时间电解后,镀层表面受到不同程度的破坏,相比之下Ni-Mo-W合金电极的稳定性最佳,Ni-Mo合金电极电化学活性最高。
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