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从法拉第定律到电流效率【下】:影响电化学反应器电流效率的因素

2025.12.15 24 字号 A- A A+

上篇中篇中,我们理解了什么是电流效率,分析了影响电极电流效率的因素,本篇作为系列分享的下篇,将阐释影响电化学反应器电流效率的因素。


从法拉第定律到电流效率

全文共1128字,阅读时间约为4分钟

1. 什么是电流效率

1.1 法拉第定律

1.2 电化当量

1.3 电流效率

2. 影响电极电流效率的因素

2.1 氯碱电解槽的阳极电流效率

2.2 电解制取次氯酸钠的阳极电流效率

2.3 水溶液金属电沉积的阴极电流效率

3. 影响电化学反应器电流效率的因素

3.1 对电极副反应和电解质副反应

3.2 电化学反应器的设计因素



     



下篇

影响电化学反应器电流效率的因素

影响电化学反应器电流效率的因素会更多,主要影响因素包括对电极上的副反应,电解质中的副反应以及电化学反应器的设计等因素,以下举例阐述。


01


氯碱电解槽的阳极电流效率

仍以电解制取次氯酸钠为例。通常在无隔膜次氯酸钠发生器中使用的钌钛阳极,其本身析氯效率都会高达90%以上。

但实际的次氯酸钠发生器,其出水口有效氯浓度被限制在低于10g/L的程度,没有进一步的提升空间,且整体电流效率体现仅有60-70%,与阳极电流效率相距甚远。

其主要原因是对电极的副反应。由于无隔膜电解,出水产生次氯酸钠需要依靠一系列的溶液反应且需要阴极的氢氧根,因此这种无隔膜电解极间距一般只有5mm以下,生成的次氯酸根在阴极会以很高的效率还原,因此阴极还原对次氯酸钠生成的效率带来了巨大的负面影响。

此外,次氯酸钠在高温和光照条件下的分解也会导致实测电流效率的下降。

因此,即使主电极的反应电流效率较高,如对电极或溶液存在不利的副反应,也会大幅降低电化学反应器的产气效率。

在相似反应条件的电化学制取氯酸盐工业中,采用了各种不同方法最大限度提升电流效率。


02


电化学反应器的设计因素

在对电极之外,电化学反应器的设计也会显著影响电化学反应器的名义电流效率。

图5 典型的内置流道双极性电解槽示意图

在电解工业中,由于能实现有利于电源选择的低电流高电压的优势,双极性电解槽在大尺寸电解槽的设计中常常是优于单极性电解槽的选择。典型的双极性电解槽结构如图5所示。

我们以碱性电解槽为例讨论双极性电解槽的设计因素对电化学反应器名义电流效率的影响。

图6 双极性碱性电解槽的电流传递方式

图6为双极性碱性电解槽的电流传递方式示意图。从该图可见,电流是依靠离子传递、电化学反应和金属电子传递三种途径共同构成的回路。

对于单个双极板,其阳极测产氧释放电子,电子通过金属双极板传到阴极侧,被阴极侧析氢反应所利用,从而达到金属极板内部的电荷平衡。

理论上计算整体产氢量时是假设每块极板的电流密度相同的,这就希望端极板能够将电流有效传递至每块双极板。

图7 碱性电解槽电流传递效率的示意图

但事实上如图7所示,碱性电解槽常见的内置流道设计,相当于在主要电流通路边上又加了一条通路,即在主要电路旁边加了一个旁路电阻,变成了并联电路,并联电路中两条电路分的电流取决于电阻,因此内置流道一定会分得一部分电流。

这就导致双极板本身获得的电流并不是端极板的电流,要打一部分折扣,而且越向中间就越小,所以极板数目太多时常导致较低的电流效率。类似的,内置流道的电渗析膜堆也有此类问题,导致表观电流效率只有60-70%。

因此,氯碱电解槽多为外置流道并采用各种不同方法降低旁路电流的影响。总结来看,这种双极性电解槽的表观电流效率的下降,本质上与电极没有直接关系而主要是设计的因素。


     


至此,《从法拉第定律到电流效率》系列分享已经圆满完结。欢迎大家继续关注由马赫内托研发团队编写的“技术洞察”栏目,获取更多行业专业知识~



       

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