23 空气阴极–多孔气体扩散电极

气体扩散电极结构
气体扩散电极是一种特制的多孔膜电极，其结构一般由三层组成：气体扩散层、集流体层和催化层，也可称之为疏水层、导流体层和亲水层。

1. 气体扩散层：主要作用是让反应气体顺利地通过，并且为反应活性层输送相应的反应所需要的气体。

同时，气体扩散层需要防止因电解液的迁移导致气体扩散通道被掩
没的状况发生，所以气体扩散层一般需要具有透气憎水性。

2. 集流体层：主要作用是收集电子并起到导流的作用，同时还起到支撑的作用。

3. 催化层：是气体发生还原反应的场所。

从气体扩散层输送过来的气体在这一层中与该层中的催化剂、电解液一起形成电化学反应活化点，进而将反应气体还原，所以该层应该具有一定的亲水性。

此外，气体扩散电极通常由阴极部分和阳极部分组成。

其中，阴极部分包含气室和导流板，主要用于储存气体和增加扩散程度；阳极部分则由孔隙介质（如碳布、碳纸）构成，能够让气体与电解质相互作用。

在具体制作中，常用的集流体有镍网、不锈钢网、铜网等制成，也有研究者使用镍泡沫、碳布等。

气体扩散层通常用憎水性材料（如PTFE）制成，为气体的进入并扩散到催化
层提供一条通路。

气体扩散在多孔材料中的传质性能研究随着科技的发展，多孔材料在工业生产、环境保护和生命科学等领域中得到了广泛的应用。

如何研究气体在多孔材料中的传质性能，成为了当前科研领域的一个重要问题。

本文将结合先进的研究成果，探讨气体扩散在多孔材料中的传质性能研究。

一、多孔材料的传质基本原理多孔材料是由许多孔道组成的材料结构，其中孔道的尺寸、形状和分布都是影响传质性能的重要因素。

多孔材料中的传质受到气体扩散、液体浸润和分子扩散等多种因素的影响。

其中，气体扩散是影响多孔材料传质性能的主要因素，其传质特性受到多种因素的影响，例如孔径（pore size）、孔隙度（porosity）和孔道分布等。

在多孔材料中，气体扩散的传质过程可以通过菲克尔扩散方程来进行描述：$\frac{dC}{dt} = -D\frac{d^2C}{dx^2}$其中，$C$ 代表气体的浓度， $D$ 为扩散系数，$t$ 为时间， $x$ 为空间坐标。

针对不同多孔材料，可以通过求解扩散方程来分析其传质特性。

与此同时，需要对多孔材料自身的特性进行基础化处理，使得扩散模型得以准确地模拟多孔体系的实际情况。

二、影响气体传质的因素1. 孔径（pore size）孔径大小是直接影响气体扩散传质的因素之一。

当孔径变小时，气体受到孔道壁面的作用增大，对扩散阻力也随之增加。

因此，在研究多孔材料的气态传质时，需要结合孔径尺寸的变化情况，探究其对传质的影响。

2. 孔隙度（porosity）孔隙度是影响气体传质的另一个主要因素。

当孔隙度增大时，可供气体分子扩散的空间也随之增大，故气体分子的扩散能力也相应增强，从而增加其传质速率。

然而，当孔隙度过大时，气体分子的长程扩散能力会减弱，这一特性可通过斯托克斯-爱因斯坦方程进行描述，即：$D = \frac{kT}{6\pi\eta{}r}$其中，$D$ 为扩散系数， $k$ 为玻尔兹曼常数， $T$ 为绝对温度， $\eta$ 为溶液粘度， $r$ 为分子半径。

贵金属电极材料有哪些2016-04-22 12:34来源：内江洛伯尔材料科技有限公司作者：研发部贵金属电极纯铂、纯钯、铂钯合金等有着良好的化学稳定性，极好的抗腐蚀能力、导电性能以及液化活性强等特性，是各种电极的理想材料，可靠性好，使用寿命长。

由于铂族金属既贵又稀缺，一向被镀在或涂在电极上使用。

用于制作电化学和电子学电极的责金属材料，按其功能和使用的领域可分为：金属(合金)电极材料、涂层电极材料和多孔气体扩散电极材料。

金属(合金)电极材料金、银、铂、钯、铱及其一些合金是电的良导体，还具有抗氧化、抗腐蚀、超电压低、不钝化等一个或若干个特性，适于作阳极材料，制成片、网、丝等形状的阳极。

工业上生产过氧化氢、过氯酸(盐)、次氯酸钠、过硫酸铵等用铂丝缠成的阳极。

在实验室中用镀有铂黑的铂电极作氢电极；铂、钯、金等用作研究电化学反应的电极，也用作放氧、放氯反应的阳极。

铅银、铅银钙等合金制成的阳极用于锌电解工业。

电子工业中用铂钡、钯钡、铱钨铼、铱钡锇等合金制作电子管栅极和阴极，用于高电流密度的超高频电路。

涂层电极材料涂层电极由基底和涂层两部分组成，用于电化学的涂层电极。

基底为钛、钽、锆、钨、铝、铋等阀金属(合金)之一或几个构成。

涂层一般由以下成分的材料组成：(1)阀金属的氧化物、氮化物、碳化物、氯氧化物、硅化物、硼化物、磷化物；(2)贵金属铂、钌、钯、铱、铑、锇或其氧化物；(3)贱金属铜、锡、锑、铁、钴、镍、铬、锰等的氧化物。

涂层的制作通常是将各组分用液体载体(如丁醇、萜烯)调和、刷涂在基底上，经热分解而制成。

上述三类涂层材料也可按生成以下结构来配方：尖晶石型AB2O4(A为阀金属或贱金属，B为贵金属)；烧绿石型A2B2O)7-y(1>y>O)；钙钛矿型ABO3；铜铁矿型ABO2；烧结青铜型MxPt3O4(M-Cu、Ag、Sr、Li、Na、Tl)。

金属基底的涂层阳极，称为尺寸稳定阳极(DSA)。

在氯碱工业中RuO2涂层(电解用离子交换隔膜时，以PdO、Pt-Ir或Pt-IrO2涂层为佳)钛阳极已代替石墨电极，它具有机械强度高、导电性能好，氯超电压低、节省电能、寿命长，以及维护费用低等优点。

应用电化学答案【篇一：应用电化学书后习题答案杨辉_卢文庆编】>全书思考题和习题第一章习题解答：1试推导下列各电极反应的类型及电极反应的过程。

(1)ce4??2e?ce2?解：属于简单离子电迁移反应，指电极/溶液界面的溶液一侧的氧化态物种ce4?借助于电极得到电子，生成还原态的物种ce2?而溶解于溶液中，而电极在经历氧化-还原后其物理化学性质和表面状态等并未发生变化，(2) o2?2h2o?4e?4oh?解：多孔气体扩散电极中的气体还原反应。

气相中的气体o2溶解于溶液后，再扩散到电极表面，然后借助于气体扩散电极得到电子，气体扩散电极的使用提高了电极过程的电流效率。

(3) ni2??2e?ni2?解：金属沉积反应。

溶液中的金属离子ni从电极上得到电子还原为金属ni，附着于电极表面，此时电极表面状态与沉积前相比发生了变化。

(4) mno2(s)?e?h2o?mnooh(s)?oh?解：表面膜的转移反应。

覆盖于电极表面的物种(电极一侧)经过氧化-还原形成另一种附着于电极表面的物种，它们可能是氧化物、氢氧化物、硫酸盐等。

(5)zn?2oh??2e?zn(oh)2；zn(oh)2?2oh??[zn(oh)4]2?解：腐蚀反应：亦即金属的溶解反应，电极的重量不断减轻。

即金属锌在碱性介质中发生溶解形成二羟基合二价锌络合物，所形成的二羟基合二价锌络合物又和羟基进一步形成四羟基合二价锌络合物。

2．试说明参比电极应具有的性能和用途。

参比电极(reference electrode，简称re)：是指一个已知电势的接近于理想不极化的电极，参比电极上基本没有电流通过，用于测定研究电极(相对于参比电极)的电极电势。

既然参比电极是理想不极化电极，它应具备下列性能：应是可逆电极，其电极电势符合nernst方程；参比电极反应应有较大的交换电流密度，流过微小的电流时电极电势能迅速恢复原状；应具有良好的电势稳定性和重现性等。

不同研究体系可以选择不同的参比电极，水溶液体系中常见的参比电极有：饱和甘汞电极(sce)、ag/agcl电极、标淮氢电极(she或nhe)等。

燃料电池燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。

燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出來。

它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。

氢气由阳极进入供给燃料，氧气(或空气)由阴极进入电池。

电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子(proton)与电子(electron),其中质子进入电解液中，被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流后，到达阴极。

在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子。

这正是水的电解反应的逆过程，因此水是燃料电池唯一的排放物。

利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，为一种”发电机阳极反应比一2竹+2幺阴极反应2//+ +2e + -O2T H?O总反应2H2+O^2H2O伴随着电池反应，电池向外输出电能。

只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。

燃料电池的分类1按燃料电池的运行机理分根据燃料电池的运行机理的不同，可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。

例如磷酸燃料电池(PAFC)和液态氢氧化钾燃料电池(LPHFC)o2按电解质种类分根据燃料电池中使用电解质种类的不同，可分为酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质的燃料电池。

即碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。

在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC) 可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应燃料电池电动汽车(FCEV)使用的要求，更加具有竞争力。

3按燃料类型分燃料电池的燃料有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料和汽油、柴油以及天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。

气体扩散电极通气的透气率气体扩散电极（Gas Diffusion Electrode, GDE）是一种特殊设计的电极，广泛应用于燃料电池、电解池、金属空气电池等电化学设备中。

其核心特性在于其高效的气体扩散能力，使得反应气体能够顺畅地通过电极并与电解质或催化剂发生反应。

电极的透气率是评估其性能的关键指标之一，直接影响电极的工作效率和设备的整体性能。

一、气体扩散电极概述气体扩散电极通常由多孔的导电材料制成，如碳纸、碳布或金属网，这些材料具有良好的导电性和化学稳定性。

电极的表面通常涂有一层催化剂，如铂或其他贵金属，以加速电极上的电化学反应。

此外，电极还包含一层防水透气层，它允许气体通过但阻止液体电解质泄漏，从而确保电极在湿润环境下的稳定性。

二、透气率的重要性透气率是气体扩散电极的关键性能指标，它决定了气体分子通过电极的速率。

高透气率意味着气体分子能够更快地到达反应位点，从而提高电极的反应速率和设备的能量转换效率。

反之，低透气率可能导致气体供应不足，限制电极的反应速率，甚至引发设备的局部过热或性能下降。

三、透气率的影响因素1. 电极材料的孔隙结构电极材料的孔隙率、孔径分布和孔道连通性对透气率有显著影响。

高孔隙率和良好的孔道连通性有利于气体分子的快速扩散。

同时，适当的孔径分布可以确保电极在不同气体压力下均能保持稳定的透气性能。

2. 防水透气层的性质防水透气层的材料、厚度和制备工艺对电极的透气率有重要影响。

理想的防水透气层应具有较薄的厚度、良好的透气性和优异的防水性能，以确保气体分子能够顺畅通过的同时防止液体电解质的泄漏。

3. 电极的压缩程度在实际应用中，气体扩散电极通常需要被压缩以提高其机械强度和导电性能。

然而，过度压缩可能导致电极孔隙率降低，进而影响透气率。

因此，优化电极的压缩程度是实现高透气率的关键之一。

4. 温度和湿度工作环境中的温度和湿度也会影响电极的透气率。

温度升高通常会导致气体分子的扩散速率加快，从而提高透气率。