用于高效节电氢循环-碱溶碳分法氧化铝新工艺的氢阳极基础研究

The Bayer process for production of alumina from bauxite ores has shortcomings of low efficiency and poor applicability to the types of ores whereas the new process of alkaline digestion-carbonation precipitation technique requires high electricity consumption in its membrane electrolysis cell. We propose a new concept of hydrogen anode-alkaline digestion-carbonation precipitation, which will employ a hydrogen recycled membrane electrolysis to reduce the electricity input by more than 60%. The key to the energy-saving hydrogen recycled membrane electrolysis is to develop a high catalytic activity, long durability, and cost-effectivity hydrogen anode electrode for electrolysis of spent carbonate liquor. This project will focus on the design, controllable preparation and adjustment of carbon supported core shell catalyst Ni-Cu@Pd-Ru/C. The following fundamental issues should be revealed: 1) relations between elementary composition, micro-phase structure, dimension of nano Ni-Cu with the corrosion resistance, anchoring intensity of electro-catalyst; 2) sturcture and performance diffierence between micro and macro Ni-Cu; 3) The relationship between core and shell of Ni-Cu@Pd-Ru/C electro-catalyst; 4) The scientific principles between the elementary composition, micro-phase structure, shell thickness with the electro-activies, stability and poisoning-resistances of Pd-Ru in shell. Based on these investigation, to design and prepare Ni-Cu@Pd-Ru/C electro-catalyst with highdrainage、low polarity、high performance-to price ratio and long durability. These researches will provide theoretical and scientific basis for improving performance of hydrogen cycle-alkaline digestion-carbonate precipitation technology.

针对拜耳法氧化铝生产工艺存在的生产效率低和对矿石适应性差的问题，以及碱溶碳分法新工艺存在的膜电解电耗偏高的主要缺陷，将氢循环膜电解引入碱溶碳分法工艺实现了降低电耗60%以上的预期结果。而研制出碳分母液体系下具有高催化活性的长效氢阳极，是关系氢循环膜电解节能成败的关键。为此，重点开展以Ni-Cu@Pd-Ru/C为代表的碳载纳米核壳结构催化剂的设计、可控制备与调质改性等基础研究。研究揭示 Ni-Cu/C中纳米Ni-Cu的成分、微观相结构及尺度对其耐蚀性、锚定强度的影响规律；探讨Ni-Cu@Pd-Ru/C核壳相互作用以及壳层中Pd-Ru的成分、相结构及壳厚尺度对其电催化活性、稳定性及抑制有机物中毒的作用规律。并据此设计制备在碳分母液中高排流低极化、高性价比的Ni-Cu@Pd-Ru/C长效氢阳极，为研制满足氢循环-碱溶碳分法所需的高性能氢阳极提供理论基础和科学依据。

面向高效节电碱溶碳分法氧化铝新工艺对高性能电极的迫切需求和技术空白，研究了在碳分母液（碳酸钠与碳酸氢钠溶液为主要成分）中高性能的 Ni-Cu@Pd-Ru/C 氢阳极，为新工艺提供关键技术和技术基础。本项目进行了氢阳极电极催化剂和节能电解碳酸钠方面的研究：（1）碳载纳米合金Ni-Cu/C、Pd-Ru/C、Ni-Cu-Pd/C等的可控制备、表征与调控；（2）碳载纳米核壳结构催化剂Ni-Cu@Pd /C、Ni-Cu@Pd-Ru/C等的可控制备、表征与调控；（3）多孔三维结构氢阳极的研究设计与系统优化三个方面的研究。本项目研究制备了在碳分母液(碳酸钠-碳酸氢钠)中高效长效、贵金属充分节约的Ni-Cu@Pd /C、Ni-Cu@Pd-Ru/C催化剂，进而研制在碳分母液中的多孔三维结构气体扩散氢阳极—Ni-Cu@Pd /C、Ni-Cu@Pd-Ru/C氢阳极，为高效节电氢循环-碱溶碳分法新工艺研发提供关键技术材料和理论支持。. 继完成能显著降低碳分母液电解电压及电耗的贵金属充分节约的Ni-Cu@Pd /C、Ni-Cu@Pd-Ru/C系列催化剂的研制之后，进一步开展了基于氮掺杂碳材料的不含贵金属的ORR催化材料研究及其在高效节电电解碳分母液的研究，取得了能大幅降低电解电压及电耗、富有成果的研究进展。主要包括（1）Ag纳米粒子修饰的氮掺杂石墨烯复合材料的制备及其在电解碳酸钠中的应用基础研究，（2）CoMnNiFe系列氮掺杂多孔碳材料的制备及其在电解碳酸钠中的应用基础研究以及（3）Metal-free氮掺杂有序-无序夹心结构碳材料的基础研究以及（4）Fe-N-S掺杂多孔碳材料的基础研究。这些工作均是在本项目的支持下按计划完成的，在原计划减少贵金属使用的目标下，直接避免了贵金属的使用，为节能电解碳酸钠-碳酸氢钠提供了更多的选择和更高的应用价值。. 发表国内外重要学术刊物上发表外文 SCI 论文 23篇，其中第一标注19篇，第二标注4篇。申请国家发明专利 4 项。结合项目为国家培养研究生 7 名，其中博士研究生 3人。