氧阴极法节能环保制备二氧化锰电解规律研究

The project is electrolysis law study for a new energy-saving electrolytic method in the preparation of electrolytic manganese dioxide(EMD). The electrolytic manganese dioxide production using graphite or copper hydrogen evolution cathode is high energy consumption, pollution and has risks. To keep anodic reaction unchanged, a theoretically cell voltage cut of 1.229 V can be obtained through the introduction of the electrolysis cell based on a gas diffusion cathode of the green oxygen reduction reaction. Meanwhile, the acid mist will be reduced on the cathode. The project applicants have proved the feasibility of the gas diffusion electrode method in preliminary studies and been granted a national invention patent. At present, the manganese sulphate system, manganese chloride system and the pulp strong acidic electrolyte system for electrolytic manganese dioxide process are completely different from the strong alkaline sodium chloride electrolyte system in the chlor-alkali industry. Therefore, in the project the electrolysis law, electrochemical reaction behavior, performance, and influencing factors of gas diffusion electrodes in the strong acid of MnSO4-H2SO4 electrolyte system will be studied. This project features as:.(1) The fundamental research is on the frontier in the field of gas diffusion electrodes in strongly acidic electrolyte. The research will take its place in the front ranks of the world;.(2) Scientific implications for the practical technology development of this new method can be provided;.(3)The technique derived from the research results of this project will reduce the power consumption in the current electrolysis industry production and meet the urgent need for energy-saving and environmental protections. Therefore, it will have a broad application prospects.

采用石墨、铜等析氢阴极进行电解二氧化锰生产时高耗能、环境污染、存在安全隐患，用高电位的气体扩散电极代替传统的析氢阴极，在阳极反应不变的情况下，可以使传统电解二氧化锰方法的理论槽电压降低1.229V，同时阴极不会析出氢气也可减少酸雾的产生。本项目申请者等的探索性研究证明了气体扩散电极新方法的可行性，获得了国家发明专利。而目前电解二氧化锰生产技术的硫酸锰体系、氯化锰体系和矿浆等强酸性电解液体系与氯碱工业强碱性氯化钠电解液体系完全不同。为此，本项目进行强酸性MnSO4-H2SO4电解液体系中气体扩散电极电解反应行为、性能和各种因素的影响规律等的基础研究。项目特色是：（1）所进行的基础研究是气体扩散电极在强酸性电解液中的学科前沿问题，研究将走在世界前列；（2）可为新方法的实用技术开发提供科学依据；（3）本项目研究成果能形成的技术是当前高耗能电解工业领域降低电耗、节能环保急需的技术，应用前景广阔。

电解二氧化锰是锰干电池原料，也是生产锂离子电池电极用锰酸锂等的原料，我国为生产电池世界第一大国，每年用量占世界一半以上，世界最大电解二氧化锰企业也在我国，但传统采用石墨、铜等析氢阴极进行电解二氧化锰生产时高耗能、环境污染，并存在燃爆安全隐患。项目组2011年获得采用高电位气体扩散电极代替传统析氢阴极的节能环保电解二氧化锰新方法的国家发明专利授权，可使传统电解二氧化锰方法的理论槽电压降低1.229V，且没有氢气析出。而目前电解二氧化锰生产技术的硫酸锰体系、氯化锰体系和矿浆等强酸性电解液体系与氯碱工业强碱性氯化钠电解液体系完全不同，因此本项目进行了氧阴极法节能环保制备二氧化锰电解规律研究。获得了：1）气体扩散电极在强酸性MnSO4-H2SO4电解液体系中的氧还原反应过程和各种因素的影响规律；2）气体扩散电极在强酸性MnSO4-H2SO4电解液体系中电催化性、稳定性和各种因素的影响规律；3）强酸性电解液下气体扩散电极法电解二氧化锰的槽电压和各种因素的影响规律；4）Pt/C气体扩散电极在高温强酸性电解液体系中的节能机理与影响因素；5）气体扩散电极在高温强酸性MnSO4-H2SO4电解液体系中的失效机理；6）在高温强酸性MnSO4-H2SO4电解液体系中仍能保持长寿命的高节能长寿命纳米结构气体扩散电极Pt/TiO2-CNx和Pt/TiN-CNx，超过了国内外已发表文献中酸性介质燃料电池用的气体扩散电极的寿命。研究中发表了9篇期刊论文（SCI5、EI3）、1篇会议论文，申请了2个发明专利。经本项目首次明确了气体扩散电极在强酸性MnSO4-H2SO4电解液体系中的电解反应行为、性能和各种因素的影响规律，发明了Pt/TiN-CNx高节能长寿命纳米结构气体扩散电极生产电解二氧化锰方法，形成了高耗能电解工业领域降低电耗、节能环保急需的技术，具有自主知识产权，应用前景广阔。