[科普中国]-气体扩散电极

气体扩散电极（Gas diffusion electrode）是一种特制的多孔膜电极，由于大量气体可以到达电极内部，且与电极外面的整体溶液（电解质）相连通，可以组成一种三相（固、液、气）膜电极。

简介气体扩散电极是用具有疏水性高分子材料（如聚四氟乙烯等）作为电极材料的胶粘剂，根据燃料电池的原理制作成具有多孔性、一定的防水性、较好的导电性、高的活性表面积和高的催化活性的一种电极。在常压下使气体和电解液在微孔中处于平衡状态，形成稳定的气-液-固三相界面，在控制一定电位的条件下使发生电化学反应。使用方便，适于作连续和长时间的监测分析工作。已用于大气中的CO、H2S、NO、NO2及厂矿环境中的HCN、肼、醇蒸气和某些含磷有害物的测定。也可用作气相色谱的检测器。

分类气体扩散电极主要有三种1：

（1）双层电极，电极用金属粉末和适当的多孔性填料分层压制，并烧结而成，电极中的细孔层面向电解质，粗孔层面向气室。如果金属粉末本身不具备催化剂的性能，还要通过浸渍等方法在孔内沉积催化剂。

（2）防水电极，通常用催化剂粉末（有时还加入导电性粉末）和疏水性微粒混合后辗压或喷涂，再经适当的热处理后制成。常用的疏水性材料为聚乙烯、聚四氟乙烯等。催化剂（如铂黑）粉末的表面是亲水的，在它的外表面上都形成了可用于进行气体电极反应的薄液层。

（3）微孔隔膜电极，电池由两片用催化剂微粒制成的电极和微孔隔膜层（如石棉纸膜）结合而成。所用隔膜内部微孔的孔径比电极内微孔的孔径更小，所以加入的电解液首先被隔膜吸收，然后才用于浸湿电极。如果电解液的量适当，可使电极处在“半干半湿”状态，其中既有大面积的薄液膜层，又有一定的气孔。这种电极容易制备，催化剂利用效率较高，而且不会漏气或漏液。

以上三种电极并无原则区别，都是由气孔、液孔和固相三种网络交织组成，分别担任气相传质、液相传质和电子传递的作用。应用 用于携带式的一氧化碳监测仪，其中的电解质用稀硫酸，含有一氧化碳的气流通过装有催化剂的气体扩散电极被氧化为二氧化碳，氧气则被还原为水。测量这一电池的电流，便可测出一氧化碳含量。

气体扩散电极的结构气体扩散电极一般分为三层结构气体扩散层、集流体层和催化层，也可称之为疏水层、导流体层和亲水层。气体扩散层的主要作用是让反应气体顺利地通过，并且为反应活性层输送相应的反应所需要的气体。同时气体扩散层必须要防止因电解液的迁移导致气体扩散通道被掩没的状况发生，所以气体扩散层一般需要具有透气憎水性。集流体层主要作用是收集电子并起到导流的作用，同时还起到支撑的作用。催化层是氧气发生还原反应的场所，从气体扩散层输送过来的气体在这一层中与该层中的催化剂、电解液一起形成电化学反应活化点。进而将反应气体还原，所以该层应该具有一定的亲水性。

气体扩散电极在空气电池中的作用及重要性气体扩散电极是一种多孔结构，它作为空气电池的正极，具有质量轻、厚度薄等一些特点，同时它可以高效地将化学能转换为电能。在空气电池中，气体扩散电极的主要作用是为氧气的还原反应提供反应场所。氧气的还原反应在各个电化学反应中是步骤最慢的，因此氧气的还原反应成为了整个电化学反应的限速步骤。因此我们看到气体扩散电极性能的好坏对于锋空气电池的优劣起到了很大的制约作用。

另外，在空气电池的循环使用中，气体扩散电极是决定其成本的最主要因素。在使用后经过电解还原过程，电池负极还可以再次使用，这样整个过程中的成本就可以控制在相对很低的水平上。

气体扩散电极在空气电池中起到能量转换器的作用，理论上它在放电过程中是不会产生损耗的，可以连续地使用。但在实际状况中，气体扩散电极使用一定的时间或者次数后，它的性能会出现显著的下降，这就导致空气电池使用成本会相应的增加，这在很大程度上影响了空气电池的商业化应用。因此提高气体扩散电极的性能不但可以增大整个电池的输出功率，而且可以有效地降低电池的成本1。

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学