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摘  要：镀铂阳极作为电化学过程中的重要组件，因其使用寿命长、高电流密度和低能耗等特点而受到广泛关注。本文系统的讨论了镀铂阳极的性能优势、应用领域、制备方法和改性技术，描述其应用现状及面临问题，并展望了未来方向。

关键词：镀铂阳极，性能优势，制备方法，应用现状，展望

一、引言

在电化学领域，阳极是电解或者电镀中重要的组成部分，其性能对整个系统的能量转换效率具有重要的影响。而铂作为一种贵金属，具有优秀的电化学稳定性和高耐腐蚀性，被广泛用作阳极材料。尽管铂在许多电化学应用中表现出良好的性能，但其高成本和稀缺性限制了其广泛应用。镀铂阳极在性能上与铂阳极相近，且生产制造成本远低于铂阳极，镀铂阳极取代铂阳极可在电电镀生产中广泛应用。本文系统的讨论了镀铂阳极的性能优势、应用领域、制备方法和改性技术，详细评价了其在国内外的应用现状及面临问题，并展望了未来方向。

二、背景

贵金属材料使用在电化学中的阳极其历史由来已久，Pt的历史与电化学中不溶性阳极同样久远，因为Pt在化学、电化学反应方面极其稳定。1950年左右，随着钛工业规模的日益普及，而开发以耐碱性优良的钛金属为基材的贵金属覆盖阳极。1959年，ICI公司发明镀白金钛电极，其主要功能在于作为阴极防蚀用的阳极，很快地被选择作为电化学工业中阳极的应用。1967年比尔博士发明于钛基材上覆盖RuOx+TiOx混合氧化物以形成阳极。此后钛基不溶性阳极的功能大幅提升。近来，产品的质量、特别是生产的高速化的需求，长寿命的不溶性阳极的应用急剧扩大。从节能、节约材料、不污染环境等对于所谓“绿色材料”的要求，长寿命且能使电极反应活化能降低即具有电化学催化性能的镀铂性阳极被广泛需求。

三、镀铂阳极的分类与性能优势

镀铂阳极分有以一般金属为基体镀铂和稀有金属为基体镀铂的的阳极材料，一般金属镀铂的阳极材料有铁及其合金、镍及其合金、铜及其合金这三类，稀有金属镀铂阳极材料有钛、钼、钽、铌等。与贵金属相比，一般金属具有来源广泛、加工简单、电镀前处理较容易等优点，不过在耐酸碱腐蚀性、耐高温性能和高温强度上一般金属要差很多，以后的镀铂阳极研究主要集中在钛、钼、钽、铌上。目前研究最多的是以钛为基体的镀铂阳极材料，市面上有能够作为阳极使用的镀了铂的钛合金棍、钛网、钛板和钛毡等。

与普通可溶性阳极和不溶性阳极相比，镀铂阳极具有以下优势：

（1）长寿命：镀铂阳极的寿命远超过传统可溶性阳极，如石墨、不锈钢、铅锡阳极等。这主要归功于其特殊的结构和制备工艺，使其具有出色的抗腐蚀性能。

（2）高电流密度：镀铂阳极具有高导电性和稳定性，可以在高电流密度下运行，从而加快电化学反应速率。

（3）低能耗：镀铂阳极的稳定性和高导电性，降低了电极表面的腐蚀和氧化反应，因此可降低电化学过程的能耗。

（4）对镀液和镀层影响较小：由于其拥有良好的耐酸碱、耐腐蚀性能，在大部分酸性或者碱性镀液里，几乎不会污染镀液，使得镀层出现变黑、变糙、表面有颗粒物等现象。

四、镀铂阳极的应用

（一）镀铂阳极在电镀中应用

在电镀领域中不溶性阳极多采用石墨阳极、不锈钢阳极、镍阳极、铅阳极等，以上阳极虽然耐腐蚀，导电性好，但电解时会出现溶解，虽然很少，但会对镀层和镀液造成影响。此外，比重大，机械强度低，给结构设计困难在实际应用中还是有一定问题的。镀铂阳极在常规金属电镀时，导电性、耐蚀性、对镀液危害性均优于常规的可溶性阳极。比如在镀镉溶液中电镀时，镀铂的钛网和镉板同时使用，可以有效防止镉板钝化。在镀铬时，镀铂电极的腐蚀率远低于铅及铅锡合金阳极。在贵金属电镀比如镀金、镀银、镀钯、镀铂中，比普通的不溶性阳极有着更好的导电能力，对镀液污染较小，取代纯金、纯铂、纯银做阳极，可节约大量的贵金属。此外，在镀锌、电铸、VCP电镀线中也得到了应用。

（二）镀铂阳极在阴极保护中的应用

镀铂阳极是海水、淡水和土壤中工程结构防护的理想阳极材料，近些年来，我国的阴极保护行业有了长远的发展，应用在不断扩大。目前已在船舰、码头工程、滨海电厂循环水冷系统和冷凝器系统、地下和水下管线、电缆及油田采油装置等方面得到应用^[1]。镀铂阳极一般推荐在海水中使用。海水中铂的消耗速率为6mg/(A•a)，在土壤中使用时铂的消耗速率增大，最高可达175~200mg/(A•a)，这是因为在土壤中使用时，镀铂阳极表面是析氧或氯氧共析，析氧造成的强酸性环境可加速铂的溶解。在土壤中使用镀铂阳极时，均需采用碳质回填料，且须接触紧密，目的是减少在铂阳极表面直接发生电化学反应。由于铂阳极价格较贵，在土壤中消耗速率大，而且接地电阻随时间延长逐渐增大，所以铂阳极在土壤中使用不如硅铸铁和石墨阳极用的广泛。张玉萍[1]等报道了电镀铂钛电极作为海水中阴极保护用的阳极。阴极保护是依靠外加直流电流或牺牲阳极使被保护的金属成为阴极，从而减轻或消除金属的腐蚀。海水是一种溶有多种盐类的复杂溶液，因此，电极反应十分复杂，有阳极反应、阴极反应和溶液中反应

阳极反应：2Cl^-→Cl₂+2e

阴极反应：2H₂O+2e →H₂+2OH^-

溶液中反应：Cl₂+H₂O →HClO+Cl^-+H⁺

HClO→ H⁺+ClO^-

另外，在阳极上还存在析氧反应和Mn等离子的氧化还原反应，而且反应生成的氯气和水又生成次氯酸和盐酸，导致阳极表面酸度升高，加速了阳极的失效过程，这就是普通电极在海水中作阳极寿命短的原因。使用钛镀铂电极，即使阳极表面有孔，在孔处也不会发生腐蚀，适合在海水中使用^[2-3]。

（三）电解制取离子水用镀铂钛电极

离子水在日本研究较多，我国目前离子水研究也比较活跃，生产的酸性离子水广泛用于消毒、灭菌，碱性离子水则作为饮用水。选用镀铂电极作为离子水机的阴极或阳极，可以经常改变电极的极性，即可增加电极的使用寿命，又可清除电极表面的污染物，保证离子水的质量，而且，和其它电极相比，离子水pH值变化较大，酸性水值达4.32，碱性水达9.92^[4]。镀铂电极还用于固体聚合物电解质(SPE)电解水制氢(氧)技术，它是美国通用电气公司于 20 世纪 50 年代后期开始发展起来的，SPE 制氢技术具有其他现场制氢技术所不具备的优点，它除产品气体纯度高外，还有维护量少，制氢成本低，没有腐蚀性液体，对环境没有任何污染等优点。

（四）其它应用

镀铂电极也广泛应用于过氧化氢、硫化氢、高氯酸盐及次氯酸盐的电解化学制备，此外，也常用于海水淡化有机物电解合成、污水治理、电池电极材料等行业中。随着我国轻工业和材料科学的发展，镀铂材料这种强度高，耐腐蚀性，导电性好，催化活性高的合金必将被日益广泛的应用。

五、镀铂阳极的制备方法与改性技术

镀铂阳极的制备主要采用冶金加工、磁控溅射、化学气相沉积、电化学氧化还原和化学氧化还原方法。这些方法能够实现大规模生产，且所得阳极具有良好的性能。

冶金加工方法通过挤压、拉拔和轧制的方式制备铂复合铂复合阳极。生产的铂复合阳极，结合力好，铂层不仅均匀，孔隙率低，铂层厚度可控。如果是那种稀有金属如钛、铌、钽，这些金属表面易氧化，因此在制备过程中，一定要保证铂和基体之间的界面要在隔绝氧气的条件下进行。在铂复合阳极的加工过程中，大复合比较难解决，因为在实际使用中铂层厚度通常只需微米级就能满足使用要求，另外，在复合丝、棒的加工过程中由于铂层非常薄(微米级)极易被刮落，采用外加包套挤压加工，同时采用优良的润滑材料，严格控制包套材料与铂层间的元素扩散。冶金加工的铂复合阳极虽然性能优越，但是很难复合10µm以下的铂层，对于形状复杂的阳极更是难于复合，对于表面极易氧化的金属如钛，加工条件苛刻，这是这种加工方法的局限性^[5-6]。

磁控溅射工艺是将金属靶(铂片)的原子轰击下来，在电磁场的作用下，使铂原子沉积在基体表面而形成铂金属膜，通过这种方法得到的铂晶粒可以达到纳米级，铂在基体表面成细粉状堆积，表面呈山峰状起伏不平，这和电镀铂得到的铂表面形貌完全不同，电镀铂得到的是球形铂颗粒，实践证明磁控溅射得到的铂复合电极寿命要长于水溶液电镀得到的铂电极^[7]。

铂的化学气相沉积为热分解反应，用电炉加热乙酰丙酮铂(沉积源)至升华温度，乙酰丙酮铂气体由运载气体氩气运输至已被加热到确定温度的基体表面，并发生热分解而使铂沉积在基体表面，通入的氧气与乙酰丙酮铂分解放出的碳和氢反应所生成的一氧化碳、二氧化碳和水蒸气等反应产物不断被真空泵排出沉积室。铂的化学气相沉积在美国Ultramet 的公司，Lewis 研究中心和JPL实验室的J. T. Harding 等所做的研究较多。

电化学氧化还原法是在熔溶盐或者水性溶液利用电流将铂盐在阴极上还原成单质铂并沉积出来的方法。该工艺制备出来铂层均匀细致，结合力好，镀层沉积不受零件的形状影响，厚度可以根据自身需求来选择。我司采用酸性镀铂药水LD-7565和碱性镀铂LD-7566在不溶性阳极上均能得到非常好的镀层。LD-7566酸性电镀纯铂可获得均匀致密性良好的镀层，镀液稳定易操作，镀速快。LD-7565碱性镀纯铂工艺，镀层纯度高，渗铝性能好，镀液稳定易操作，分散能力特别好，寿命长，可镀得10µm的铂镀层。以下是利用上面两种产品做出来的镀铂的钛合金阳极材料。

图1 镀铂钛毡

图2 镀铂钛板

图3 镀铂钛网

氧化还原法是利用还原性物质比如肼、硼氢化钠等还原剂在具有催化活性的表面把铂给沉积出来。与电镀法相比较，化学氧化还原法工艺比较简单易操作，铂层均匀细致，结合力和均匀性要优于电镀，晶粒细致，孔隙率低等，不过目前主要存在镀速慢、镀液不稳定的情况。

镀铂阳极改性是为进一步提高不溶性阳极的性能，常采用表面涂层、掺杂改性等手段对其进行改性处理，进一步镀铂阳极的导电性能、耐腐蚀性和稳定性的一种技术。目前电镀的铂层已满足其作为阳极的基本性能，对此相关的研究报道较少。

六、镀铂阳极面临的问题

虽然镀铂阳极具有许多优点，但在大规模应用中仍存在一些问题。首先原材料缺乏问题，我国铂族金属资源匮乏，比较依赖进口，而全球铂资源高度集中，主要集中在南非和俄罗斯等国家，其中南非储量居全球之首，有63000吨，占全球储量的90.9%。目前我国探明铂族金属矿区47处，储量402吨，主要集中在甘肃、云南、四川、河南等地。据中国大陆海关统计，到2020年，铂累计进口87.15吨，同比增长23.34%，钯累计进口31.88吨，同比增长93.55%。因为近几年的新冠疫情，又有国际形式比较严峻，铂族金属原材料成本也会跟着增长。其次是镀铂配方问题，目前镀铂碱性P盐镀铂、酸性氨基磺酸盐镀铂和硫酸盐镀铂、氰化物熔盐镀铂、化学镀铂这五类，而每类配方都有缺点，比如P盐制备麻烦，得到的铂层厚度有限；氰化物熔盐镀铂对环境污染大，工艺复杂和成本较高，难于镀大面积的件等；酸性的氨基磺酸盐镀铂则需要较高的工作温度，定期更换镀液等缺点；硫酸盐镀铂有电流效率低、铂盐制备麻烦的缺点；化学镀铂存在镀液稳定性差的缺点。每样镀铂配方都有相应的不足之处，需要我们不断的去完善，这样镀铂阳极才会现实中大规模生产。其次是镀铂工艺问题，目前在稀有金属表面镀铂的前处理大多采用喷砂、和生成转化膜工艺，在转化膜的基础上进行电镀铂普遍存在结合力差的问题，喷砂处理后铂层不到一定厚度又存在一定的孔隙，这会影响到镀铂阳极的使用。对于那种复杂件不宜喷砂处理，只有采用真空镀的方式，相对应的成本也高，不利于广泛使用。最后就是环境污染问题，目前国家倡导绿色电镀工艺可持续发展，逐步淘汰掉那些污染严重又对人体和环境有害的电镀工艺，如氰化镀铂、氰化镀银等，因此，需要进一步研究和改进铂阳极生产工艺，降低成本并提高环保性能。

七、展望未来的研究方向与发展趋势

镀铂阳极是一种重要的电化学材料，由于其优异的导电性能和耐腐蚀性，被广泛应用于许多领域。未来，镀铂阳极的研究方向和发展趋势可能包括以下几个方面：

（1）提高镀铂阳极的电化学性能：通过优化材料组成、结构和表面处理等手段，提高镀铂阳极的电化学性能，包括提高其稳定性和耐腐蚀性，降低电荷转移阻抗等，是未来研究的重要方向。

（2）探索新型镀铂阳极材料：除了常规的镀铂阳极材料，还可以探索新型的镀铂阳极材料，如纳米镀铂阳极材料、复合镀铂阳极材料等，以提高其电化学性能和耐腐蚀性。

（3）拓展镀铂阳极的应用领域：目前，镀铂阳极主要应用于电池、电镀、光电化学等领域。未来，可以进一步拓展其应用领域，如用于燃料电池、光电化学、生物医药等领域。

（4）探索环境友好的制备方法：目前，镀铂阳极的制备方法仍存在一些环境问题。未来，可以探索更为环境友好型的制备方法，如利用可再生能源、生物模板等。

（5）深入理解镀铂阳极的电化学反应机理：进一步深入理解镀铂阳极的电化学反应机理，有助于优化其性能，提高其电化学性能和耐腐蚀性。

（6）纳米技术的应用：纳米技术可能为镀铂阳极的制备和应用提供新的机遇。例如，纳米镀铂阳极可能具有更高的电化学活性和稳定性，能够更好地应用于燃料电池等领域。

（7）绿色化学的发展：绿色化学的发展对电化学材料提出了新的要求，包括减少废物产生、降低能源消耗和减少环境污染。因此，开发更为绿色和可持续的镀铂阳极将是未来的一个重要研究方向。

总之，镀铂阳极未来的研究方向和发展趋势是多方面的，需要不断进行探索和创新。相信随着科学技术的不断进步和新材料、新方法的不断出现，我们会看到更多关于镀铂阳极的研究和应用。 

参考文献

[1]  张玉萍,鞠鹤,武宏让.表面技术[J].2004,33(6):67-68.

[2]  张招贤.钛电极工学[M].北京:冶金工业出版社,2003.

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[4]  李美超,马淳安,吴庆等.化学世界,2002,(8):408.

[5]  王轶,李银娥,马光等.有色金属,2002,增刊:95~96.

[6]  黄拔帆.稀有金属材料工程,1992,21(3):67.

[7]  潘建跃,陶自春,罗启富.机械工程材料.2003,27(12).