[发明专利]一种氧化物金属陶瓷惰性阳极及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化物金属陶瓷惰性阳极及其制备方法和应用，属氧化物金属陶瓷复合材料技术领域。

背景技术

传统的铝电解是在以冰晶石和氧化铝为主的电解质中，以碳素材料作阳极,在940-970℃的高温电解质中进行熔盐电解。电解过程中在阴极上生成金属铝，在阳极上产生新生态的氧，在上述高温下，阳极上产生的新生态氧原子将使碳阳极氧化燃烧，产生CO₂，CO和CF₄，C₂F₆，SO_X.NO污染气体，据统计，每生产一吨铝，要排放约1200m³的上述污染气体；

其次，由于碳阳极被不断燃烧，每生产一吨电解铝，碳素阳极的消耗量达400-500kg，此消耗占铝电解生产成本的20%左右。2011年中国的铝产量为1400万吨（约占全世界产量的60%），从而可算出，在中国每年仅碳阳极的消耗就为300亿元。再其次，使用碳素阳极电解铝，电能耗高达（13-13.5kWh/kg·Al），为理论耗电量的2.37倍。由于上述原因，使碳素阳极电解铝成为当今社会中有名的高能耗、高污染和高消耗的三高产品；

若在铝电解中使用惰性阳极（即在电解过程中不被氧化燃烧，也不受高温电解质腐蚀而消耗的相对永久性阳极）取代当今使用的碳素阳极后，仅在中国，每年就能减少阳极消耗约300亿元，并每年减少污染气体排放180亿m³。经济效益和社会效益十分巨大。惰性阳极在铝电解中应用后，铝电解高消耗高污染的帽子将被摘掉；

按本发明人的理解，惰性阳极的性能指标应包括如下六个方面：具有优良的导电性和1200℃及其以上的熔点；在电解高温下，阳极材料在氟化物电解质中不溶解且其组分不污染电解产出的原铝产品；在高温急冷急热的冲击下不发生脆断；具有可机械切削加工或焊接加工的性能，能与电解导电汇流牌相连；能方便的制造出大型铝工业所需的大尺寸和大批量阳极；所需原料资源充足，且材料成本低，目前国内外的商品材料，无任何一种能同时满足上述六项要求；

在美国能源部和美国工业技术局所制定的“铝工业技术革命发展战略规划中”^[1]，把惰性阳极的研究放在第一位，列为重中之重的发展方向，该战略规划的有效期是2020年^[1]；

在上述战略规划鼓励和经费的支持下，美国的研究人员在惰性阳极的材料合成方面做了许多研究，并发表了较多的专利和论文。例如美国专利^[2]公佈了由多元氧化物粉末与金属粉末合成的金属陶瓷惰性阳极。其中多元氧化物有（NiFe₂O₄·ZnFe₂O₄），（NiFe₂O₄·NiO），（NiFe₂O₄·ZnFe₂O₄·ZnO），（ZnNi）Fe₂O₄，（ZnNi）Fe₂O₄·NiO，（ZnNi）Fe₂O₄·ZnO，（ZnNi）Fe₂O₄·ZnO·NiO多种组合。而与上述金属氧化物混合的金属可从Ni、Cu、Co、Zn、Cr、Ag、Ti、Al、Sc、Zr、No.V.Mn.Y.La金属中选取。上述氧化物粉末与金属粉末混合后，经过压制和烧结成为金属陶瓷惰性阳极。美国专利^[3]则报导了一种由Fe₂O₃、NiO、Co₂O₃，等氧化物组成陶瓷相，而由Cu、Ag、Pd、Pt、Au中选取其中一种或两种组成其金属相。上述氧化物粉末与金属粉末混合后，经过压制烧结成为惰性阳极材料；