钛-铝层状复合电极材料制备和性能的应用基础研究

涂层钛阳极是湿法电解冶金和电化学工业重要的装备器件，其性能直接关系到反应过程的稳定性、产品质量、运行成本和对环境的污染等。然而，钛的基体内阻过大，造成电极电位高、表面电势分布不均，成为进一步提高钛阳极综合性能主要瓶颈。本项目从电极基体材料内部的组成结构入手，改变传统电极基体材料结构模式，采用固-固复合、液-固复合等方法制备"钛包铝"结构的电极基体，其内芯铝作为电极的集流载体和导电通道，起到减小内阻和均化电流分布的作用，而外层金属钛仍然保持"阀金属"的电化学性质。研究钛-铝复合材料的制备工艺、结构设计及工艺参数对成形状况、结合界面的影响关系，探讨钛-铝结合界面演变与基体导电性和电化学性能的变化规律，揭示电极基体材料宏观结构的改变对电极电位和反应速度影响的内在联系，以此解决钛-铝层状复合材料对提升电极综合性能的作用机理问题，为开发、设计新型层状复合结构电极材料提供理论和应用基础。

本项目是基于钛阳极在湿法冶金工业应用中基体内阻大、表面电势分布不均造成电极电位高、运行成本大的问题，以及铅阳极能耗高、污染大、降低了产品品质等一系列实际生产问题，研究了以钛包铝层状复合材料作为基体对阳极性能改善的问题。以钛-铝界面扩散层结合状态、导电性与稳定性的研究，结合理论可行性分析，对复合基体阳极进行性能验证。主要研究内容是：改变传统的电极基体材料结构模式，采用固-固复合、固-液复合等不同工艺方法制备钛包铝层状复合电极基体，研究制备方法、结构设计与工艺参数对复合界面结合状况、物相形貌的影响关系，探讨界面演变与基体导电性能和电极电化学性能的作用规律，揭示界面结构对电子传输、转移机制和电化学反应速率的影响，模拟电极反应中极板电流密度以及表面电势的分布，分析其对电解过程的作用机理，从理论层面解释复合基体结构对电极性能作用的规律。目前本项目已按计划完成所有研究内容，得到的主要成果如下：获得固-固复合法最佳的工艺为：保温时间1.5h，扩散温度540℃；固-液复合法最佳的制备工艺为：铝液温度为780℃，模具温度为250℃。通过第一性原理计算，揭示4种Ti-Al间金属化合物合金化能力：TiAl3> TiAl2 > TiAl> Ti3Al；化学稳定性：Ti3Al > TiAl> TiAl2 > TiAl3。获得导电性最佳的界面扩散层为TiAl3单相层，厚度约850μm左右，其制备工艺条件为（固-固复合）：扩散温度540℃，扩散时间90min。最佳Ti、Al板厚度为：Ti为0.3mm，Al为6mm。研究表明，扩散温度对其厚度的影响要远远大于时间的影响；获得扩散层的生长动力学方程。以钛包铝为基体的PbO2阳极,在1mol/L H2SO4溶液中的交换电流密度是传统Ti基PbO2电极的15倍；其在酸性环境中有较好的稳定性，寿命长达10.4年，高出纯Ti基体PbO2电极50%。该阳极的模拟生产测试结果表明：在500 A•m-2的生产电流密度下，槽电压波动较小，均值较传统Pb-1%Ag合金阳极下降3.2%；阴极的锌产量提高4.5%，产品含Pb量下降50.3%；电解电流效率高达88.8%，较传统提高了4.5%；吨锌电耗同比下降3.2%；阳极腐蚀速率下降42.7%。