氧阴极

氧阴极又称为耗氧阴极或者去极化氧阴极（oxygen consuming or oxygen depolarized cathode，简称ODC），最先源于氢燃料电池的原理。氧阴极主要应用于燃料电池和锂空电池等领域，主要由催化层、防水层和导电骨架3部分组成。

氧阴极是一种全新概念的离子膜电解技术，由于其在节能和环保方面的出色表现，自其诞生之日起即引起国内外广泛关注。

基本原理氧阴极电解槽中使用的离子膜阳极与普通离子膜电解槽相同，在阳极侧生成氯气，不同之处在于阴极结构， 通过向阴极区供应纯氧，H+在阴极表面与O2反应生成水1。 因在阴极侧没有氢气放出，降低了阴极的放电电位，降低了单槽电解电压，电耗减少明显，有显著的经济效益。其工作原理是催化层中的催化剂与氧气及电解液中的水接触，从而进行电子交换，其电极反应为1/2O2+H2O+2e→2OH-（E°阴=0.401 V）；防水层由含有憎水材料（如聚四氟乙烯）的微乳液制成，主要作用是使氧气透过防水层进入催化层，而保证电解液中的水不会渗出氧阴极；导电骨架的作用主要起支撑和导电作用2。

氧阴极技术比传统的隔膜法电解技术或一般的离子膜和隔膜食盐电解技术的理论分解电压大幅下降， 大大降低了电耗，粗略计算比传统方法电解技术节电约 1/3。

经济性分析为与常规阳离子膜电解硫酸钠进行经济性对比，以未搅拌的电流效率为50%的测试结果进行对比。采用灰铸铁为阴极的常规阳离子膜电解硫酸钠的槽电压为5 V，而以氧阴极为阴极的阳离子膜电解硫酸钠的槽电压为3.8 V，平均降低了1.2 V。如 以电流密度为200 A/m2（0.08 A）电解 5 h、平均槽电压为3.8 V计算，耗电量为5.472 kJ，约合0.00152 kW·h 电。即1 kW·h电可生产6.45 mol氢氧化钠和2.43 mol硫酸。 与常规阳离子膜电解硫酸钠相比，1 kW·h电可生产硫酸和氢氧化钠的量分别增加至1.23倍和1.77倍3。

氧阴极装置工艺原理氧阴极电解槽具有特殊的阴极（ODC），在直流电的作用下，将精盐水、氧气和水进行电解，生产制得32%的碱液和氯气。阳极室内氯化钠在水中电离，阳极反应的基本原理是阴离子Cl被氧化生成Cl，阴极反应的基本原理是O和水被还原生成OH。整个电化学反应概括如下：

4NaCl + O2+ 2H2O ——> 4NaOH + 2Cl↑

氧阴极法制碱法技术利用氧气电极还原反应代替氢析出反应，降低反应的电解电位，因此在生产过程中仅生产32%烧碱和氯气，不产生氢气。

氧阴极电槽单元槽由阳极半壳、阴极半壳、离子膜及密封系统组成。其中：阳极半壳组成包括电极、降液管、挡板、排液管及进料分歧管。阴极半壳组成包括氧阴极、过滤网弹性元件、电流分配器、阴极液进料分歧管及氧气进料分歧管等。密封系统通过两条PTFE密封线，维持阴、阳极半壳与离子膜间的密封性。

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李航 - 副教授 - 西南大学