惰性電極是指不易得失電子的，一般不與電解液反應的電極。由鉑、金或碳等惰性材料與含有可溶性的氧化態和還原態物質的溶液組成。在惰性電極的選材方面，主要考慮的是電解質中各組分（包括鋁電解質和金屬Al、Na）與電極的物理化學及電化學作用，電極製品本身的物理化學性質（如導電性、抗熱震性、可加工性等）。
基本介紹
- 中文名：惰性電極
- 外文名：Inert electrode
- 特徵：不易得失電子的
- 組成：氧化態和還原態物質
- 類別：物理
- 學科：冶金工程
簡介,惰性電極材料的性要求及其優勢,電解鋁生產用惰性陽極材料,金屬及其合金類陽極,氧化物陽極,電解鋁生產用惰性陰極材料,惰性電極材料的研究方向及套用前景,
簡介
現代電解鋁工業追求高效率、低能耗、低成本、無嚴重污染的工藝，而傳統的鋁電解槽採用消耗式碳素電極，不僅生產成本高，約占原鋁成本的5%-20%，而且污染嚴重。因此，世界各國都廣泛進行能夠取代碳素電極的惰性電極材料的研究。
電解鋁生產採用惰性電極材料的構想歷史久遠。早在19世紀末，Hall曾經試用過Cu陽極做為電解鋁生產用的電極。此後一百多年來，關於惰性電極的研究時冷時熱，每每出現能源短缺或鋁市場不景氣等困難時，惰性電極的研究就會出現高湖。進入到20世紀80年代以後，面對日益嚴重的能源、環保等問題，又掀起了發展惰性電極的高潮。
惰性電極材料的性要求及其優勢
在惰性電極的選材方面，主要考慮的是電解質中各組分（包括鋁電解質和金屬Al、Na）與電極的物理化學及電化學作用，電極製品本身的物理化學性質（如導電性、抗熱震性、可加工性等）。一般認為，惰性電極材料的性能應達到以下要求：
(1)對熔融電解質呈化學惰性，即不溶解，不與熔鹽電解質發生化學反應，不受其滲透侵蝕，且能抵抗空氣氧化；
(2)良好的電化學穩定性，即作為陽極，在陽極極化時不發生陽極溶解，本身能抵抗電化學氧化，對電極上的新生態氧很穩定，不生成氧化膜；作為陰極，不與陰極產物的生成化合物或合金，或本身不發生還原作用；
(3)良好的電子導電性；
(4)優良的機械性能；
(5)原材料易於獲得；
(6)易於製造和加工成型；
(7)成本不高。
能夠完全滿足以上惰性電極材料要求的極少。對於電解鋁生產而言，條件(5) (6) (7)更具有現實意義。惰性電極材料的套用有兩大優勢，一為經濟方面，二為環保方面。在經濟方面，它可取代碳素電極而節省大量優質碳素材料，節省更換電極的勞動力成本，它可降低電極的極距特別是如同時使用惰性陽極和惰性陰極，可大大減少電解鋁生產的能耗，預計節能最高可達35%。同時，氧氣可作為電解鋁生產過程中陽極的副產品，其經濟效益可達原鋁生產效益的3%。在環保方面，惰性電極的使用，可以根除產生溫室效應的CO2氣體，以及電解鋁中其它有害氣體如CF4，C2F6等的排放，從而有利於電解鋁生產操作工人的健康和國家環保方面的要求。因此，將惰性電極材料套用於生產中去，勢必會對電解鋁生產技術的進步和提高其經濟效益具有重大意義。
電解鋁生產用惰性陽極材料
金屬及其合金類陽極
金屬及其合金由於其優良的導電性、易於加工製作、易於與電源連線等優點，因而被提議用作惰性陽極。金屬及其合金類陽極用於電解鋁生產的主要障礙是金屬易氧化和抗電解質腐蝕的能力不強。
氧化物陽極
1.NiFe2O4基陽極
氧化物陶瓷陽極一直被視為最有希望製作惰性陽極的材料。氧化物與金屬結合而產生的陶瓷相結合了陶瓷材料的優點（抗腐蝕，抗氧化）和金屬材料的優點（良好的導電性和抗熱震性）。以前曾有過NiMrO4，CoFe2O4， ZnFe2O4等惰性陽極材料的研究，但近年來研究最多的則是以鐵鎳氧化物為主的惰性陽極材料研究，而且有許多已經進入了半工業化和工業化生產試驗。
2.SnO2基陽極
SnO2基陽極曾被許多研究者做為惰性陽極的首選材料。東北大學的邱竹賢院士、薛濟來對添加ZnO，CuO，Fe2O3，Sb2O3，Bi2O3等氧化物對SnO2基陽極的成型及電極導電性的影響等做了研究,並成功地進行了100A電解槽的擴大實驗。劉業翔院士等對SnO2基陽極在鋁電解質中的行為進行了研究，並採用穩態恆電位法結合脈衝技術，對1000℃時，SnO2基陽極在分子比為2.7，外加10%氧化鋁的電解質中的析氧過電位做了測量,其結果表明，摻雜微量Ru、Fe和Cr的陽極具有明顯的電催化作用。
3.CeO2塗層陽極
1993年，J. S. Gregg等研究了以NiFe2O4-18% CuO-17% Cu為基體，但上面塗有一層CeO2的惰性電極。這種電極的導電性能大大增強，腐蝕速率更小，但腐蝕性能的好壞與塗層中的CeO2量密切相關。經過長時間的電解後，塗有CeO2層的惰性陽極仍有腐蝕現象的裂紋出現。惰性陽極的發展趨勢不外乎以下四種：
(1)金屬陽極，以Cu-Al，Fe-Cu-Ni合金惰性陽極為代表；
(2)鎳鐵氧化物陽極，主要以NiFe2O3-18%，CuO-17% Cu為基體，可添加金屬元素如Ni、Al等；
(3)SnO2基惰性陽極，主要以SnO2-Sb2O3-CuO為代表；
(4)CeO2塗層惰性陽極，可以在氧化物惰性陽極基體上進行塗層，從而進行研究。
電解鋁生產用惰性陰極材料
相對於惰性陽極材料而言，能夠滿足惰性陰極要求的材料不多，主要是耐火硬質金屬（RHM）材料中欽、錯化合物比較適合，尤以二硼化鈦材料為好。惰性陰極材料的理論和工藝相對成熟，不少已套用於實際生產中。
對於TiB2而言，其使用方式不外乎兩種：一種是含有TiB2的塗層。這種塗層材料技術性能好，製備過程簡單，因而被廣泛地使用。這種塗層一般可以方便地塗敷在碳素材料或金屬基體上，塗敷厚度一般為1mm-10mm，經熱處理後即可投入使用。
另一種是將TiB2或含TiB2的碳素材料製成板、棒、管等形狀進行套用。此種材料由於腐蝕較嚴重，TiB2碳素材料粘結效果不理想等因素，一直沒有獲得令人滿意的效果。惰性陰極材料雖然國外最新研究較多，但較以前沒有太大的進展，而且由於惰性陰極材料在國內的套用已較惰性陽極成熟。
惰性電極材料的研究方向及套用前景
隨著鋁的套用和鋁冶煉的規模不斷擴大，鋁冶煉的發展面臨著新的挑戰役。大力發展新技術勢在必行。惰性電極材料的研究方向，可以概括為以下幾種類型：一是在現有工藝下使用惰性電極代替碳素電極，這是這一研究方向的最初出發點和根本立足點；二是將惰性電極的研究與低溫鋁電解結合，進一步降低能耗，這兩種構想都不改變鋁電解槽的結構；三是同時使用惰性陽極和惰性陰極，並改變電解槽的結構，例如使用多級槽、多室槽和其它連續排鋁的異型槽等。此外，還可同時使用低溫鋁電解質。
從現實意義上看，惰性電極的研究已經部分套用於電解鋁生產中，並且獲得很好的經濟效益，從長遠意義上來看，惰性電極材料的套用前景十分誘人，對惰性電極材料的研究和革新，必將大大推動我國電解鋁工業的進一步發展和繁榮。
