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金属锰是一种重要的工业生产原料,被广泛应用于冶金、化工、航天、农业等领域。采用电解法生产金属锰时,其直流电耗为5600～7000 kW·h/t,电流效率为65～70%,存在高能耗、低电效的问题。阳极作为电解锰生产中的重要设备,其性能优劣会对生产能耗以及阴极产品质量产生重要影响。电解锰生产过程中,阳极会发生析氧反应,析氧反应产生的过电位会增高直流电耗,因此,研发一种高性能、低成本的析氧阳极材料对电解锰行业的节能降耗具有十分重要的意义。本研究针对传统Ti/IrO2阳极存在的制备成本高和析氧催化性能有待改善的问题,向Ti/IrO2阳极涂层中分别掺入了钌、硅和锆,制备成了二元以及三元氧化物涂层阳极。采用XRD、XPS、FESEM、LSV、CV、EIS等物相分析和电化学分析方法对钌、硅和锆掺入对氧化物涂层物相组成、微观结构和电化学性能的影响进行了研究,阐释了钌、硅和锆掺入对阳极涂层的改性机制,探析了制备条件、涂层性质和阳极析氧催化性能三者的相互影响关系,明晰了阳极在硫酸体系中使用时的失效机理。针对电解锰能耗高的问题,以制备的新型Ti基析氧阳极材料替代传统的电解锰用Pb合金阳极材料,在阴离子交换膜电解槽中进行了电解锰实验,研究了实验条件对电流效率、单位直流电耗、锰晶型以及形貌的影响,探析了锰电解过程中的“起壳”机理,分析了阴离子交换膜电解锰的节能降耗机制。研究结果表明,钌的掺入提高了 Ti/IrO2阳极的表观活性,但会降低其使用寿命;钌掺入对Ti/IrO2阳极表观活性的改善可归因于涂层析氧催化活性表面积的增大和单个位点析氧催化活性的提高。适量硅的掺入不仅改善了Ti/IrO2阳极的表观活性,同时有效延长了其使用寿命;硅的掺入促进了涂层表面IrO2晶体的析出,有效提高了阳极涂层的析氧催化活性表面积;硅掺入降低了涂层单个位点的析氧催化活性,其对Ti/IrO2阳极表观活性的改善可归因于涂层析氧催化活性表面积的增大。Ti/IrO2-ZrO2阳极的表观活性要优于Ti/IrO2阳极,锆的掺入会对涂层表面IrO2晶体的析出产生影响,随着涂层中锆含量的升高,涂层会由晶态涂层转变为非晶态涂层;非晶涂层的析氧催化活性要优于晶态涂层,但使用寿命较低;锆的掺入提高了 Ti/IrO2阳极的析氧催化活性表面积,但降低了单个位点的催化活性,锆掺入对Ti/IrO2阳极表观活性的改善可归因于阳极涂层析氧催化活性表面积的增大。在对钌、硅和锆掺入对Ti/IrO2阳极性能影响研究的基础上,制备成了Ti/IrO2-RuO2-ZrO2和Ti/IrO2-RuO2-SiO2三元复合氧化物阳极,并对其物相组成、显微形貌和电化学性能进行了研究。研究结果表明,与制备成的Ti/IrO2-ZrO2和Ti/IrO2-SiO2二元复合氧化物阳极相比,钌的掺入提高了阳极的表观活性。综合比较 Ti/IrO2、Ti/IrO2-RuO2、Ti/IrO2-SiO2、Ti/IrO2-ZrO2、Ti/IrO2-RuO2-ZrO2和Ti/IrO2-RuO2-SiO2六种阳极的使用性能与生产成本,Ir:Ru:Si=9:21:70的Ti/IrO2-RuO2-SiO2为最优的析氧阳极材料,在电流密度为50mA/cm2的使用条件下,其析氧电位为1.33 V vs.SCE,使用寿命预期可高于4年。在阳极加速寿命实验的基础上,通过采用物相分析结合电化学分析的方法对硫酸体系中Ti/IrO2-RuO2-SiO2阳极的失效机理进行了研究。结果表明,Ti/IrO2-RuO2-SiO2阳极在硫酸体系中使用时可分为四个阶段,分别为“润湿期”、“稳定期”、“缓慢失效期”以及“加速失效期”;Ti/IrO2-RuO2-SiO2阳极的失效原因是活性氧化物涂层溶解与Ti基体局部氧化的协同作用。通过变化前驱体溶液浓度、烧结制备温度和烧结时间的方式,对Ti/IrO2-RuO2-SiO2阳极制备条件、涂层性质和阳极析氧催化性能三者的相互影响关系进行了研究。结果表明,制备条件的变化会对涂层结晶度、活性氧化物粒径、涂层表面孔洞及裂痕数量产生影响,从而影响阳极的析氧催化性能;非晶态氧化物涂层的析氧催化活性要优于晶态涂层,但其使用寿命要明显短于晶态涂层。阴离子交换膜电解锰实验结果表明,阴极液锰离子浓度、电流密度、硫酸铵浓度、SeO2添加量和电解时间的变化会对电解锰电流效率、单位直流电耗以及锰沉积形貌产生影响,但不会对金属锰的沉积晶型产生影响;阴离子交换膜电解锰的最优参数为:pH=7.5、温度=40℃、Mn2+=30 g/L、电流密度=350A/m2、(NH4)2SO4=110 g/L、SeO2=0.03 g/L,在此条件下电解 24 小时,电流效率为78.3%,单位直流电耗为4346～4433 kW·h/t,与传统电解锰工艺相比较,其电流效率约可提高10%,而单位直流电耗约可降低27%。