特殊工况下Ti/RuO2-IrO2-SnO2阳极性能与失效行为研究

摘要

钛基金属氧化物阳极是在钛基体上被覆一层贵金属氧化物涂层而构成，因其具有优良的电催化性活性和稳定性，在氯碱工业、电解海水防污、阴极保护等领域得到了广泛的发展和应用。Ti/RuO2-IrO2-SnO2阳极具有较低的析氯电位和较高的析氯电流效率，并且表现出良好的稳定性，广泛应用于电解海水防污领域。在实际工程中发现，电解温度、电解介质及电解质浓度等因素对阳极活性和寿命均产生较大影响，特别是在低温海水中应用时，存在阳极析氯活性低和耐久性差等问题。
　　 本文采用热分解法在钛基体上制备金属氧化物阳极，考察海水温度、NaCl浓度等因素对Ti/RuO2-IrO2-SnO2阳极性能与强化电解寿命的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDX)、X射线衍射(XRD)等手段研究阳极失效过程中的表面形貌、组分含量、物相结构，采用循环伏安、极化曲线、电化学阻抗谱方法对Ti/RuO2-IrO2-SnO2阳极强化电解失效过程的电化学行为进行分析。
　　 研究了海水温度对Ti/RuO2-IrO2-SnO2阳极电化学性能的影响，实验结果表明，随着海水温度的不断降低，氧化物阳极的循环伏安电量逐渐减小，导致其电催化活性随之降低;但析氯电位呈升高趋势，阳极析氯析氧反应选择性降低，析氯电流效率急剧下降。
　　 研究了海水温度、硫酸温度对于Ti/RuO2-IrO2-SnO2阳极强化电解寿命的影响，初步阐明了不同海水温度下Ti/RuO2-IrO2-SnO2阳极的失效机理。结果表明，阳极强化电解寿命随着海水温度的降低而降低，低温条件对于Ti/RuO2-IrO2-SnO2阳极寿命的影响最为显著，阳极会在短时间内快速失效。
　　 在不同电解海水温度条件下金属氧化物阳极的失效行为存在较大差异。当海水温度为5℃～20℃时，失效后阳极表面出现明显分界，中心区域存在少量残余涂层，呈现龟裂状形貌，而边缘地带Ti基体基本暴露，涂层发生局部电化学溶解或剥落;海水电解温度为40℃时，阳极涂层发生均匀电化学溶解。5℃～20℃海水条件下阳极失效主要是由于Ru组元的选择性溶解和涂层局部剥落导致，在40℃的海水中，氧化物阳极表面会发生均匀的电化学溶解，但TiO2钝化膜的形成是金属氧化物失效的根本原因。硫酸温度对阳极强化电解寿命影响与海水温度对阳极强化寿命的影响规律不同，随着硫酸温度的不断升高，阳极强化电解寿命呈下降趋势，但影响不明显。
　　 考察NaCl浓度对于Ti/RuO2-IrO2-SnO2阳极性能与强化电解寿命的影响，结果表明，随着NaCl浓度的不断升高，析氯电流效率显著升高，析氯电位降低，阳极析氯电催化活性增强。NaCl浓度显著影响金属氧化物阳极的强化电解寿命，在1％NaCl溶液中阳极强化电解寿命仅为50h左右，不断升高NaCl溶液浓度，阳极强化寿命延长，当NaCl溶液浓度达到5％时，阳极寿命可达350h左右。

目录

声明

摘要

符号注释说明

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 金属氧化物阳极的分类

1．3 金属氧化物阳极的制备方法

1．3．1 热分解法

1．3．2 溶胶—凝胶法

1．3．3 磁控溅射法

1．3．4 电沉积法

1．4 电解海水用阳极的应用与研究

1．5 析氧、析氯机制研究进展

1．6 影响电极失效的因素

1．7 金属氧化物阳极失效机理

1．8 课题的研究意义与研究内容

1．8．1 课题的研究意义

1．8．2 课题的研究内容

第二章 实验方法

2．1 实验材料和仪器

2．2 氧化物阳极涂层的制备

2．2．1 钛基体预处理

2．2．2 涂液配制和阳极的涂制

2．3 氧化物阳极微观结构和电化学性能测试

2．3．1 微观形貌与物相结构分析

2．3．2 电化学性能测试测试方法

2．3．3 析氧析氯电位测试方法

2．3．4 析氯电流效率测试方法

2．4 强化电解寿命测试(ALT)方法

第三章 温度对Ti／RuO2-IrO2-SnO2阳极性能的影响

3．1 引言

3．2 研究方法

3．2．1 阳极制备过程

3．2．2 电化学性能测试方法

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 不同温度下氧化物阳极析氯电流效率

3．3．2 不同温度下氧化物阳极循环伏安曲线

3．3．3 不同温度下氧化物阳极极化曲线和析氯电位

3．4 本章小结

第四章 温度对Ti／RuO2-IrO2-SnO2阳极失效行为的影响与失效机理分析

4．1 引言

4．2 研究方法

4．2．1 阳极制备

4．2．2 海水温度对氧化物阳极失效行为影响的实验

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 5℃海水对Ti／RuO2-IrO2-SnO2阳极失效行为影响

4．3．2 海水温度对Ti／RuO2-IrO2-SnO2阳极失效行为影响对比

4．3．3 硫酸温度对Ti／RuO2-IrO2-SnO2阳极失效影响

4．3．4 Ti／RuO2-IrO2-SnO2阳极失效机理分析

4．4 本章小结

第五章 NaCl浓度对Ti／RuO2-IrO2-SnO2阳极性能与失效行为的影响

5．1 引言

5．2 研究方法

5．2．1 阳极制备

5．2．2 性能测试

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 循环伏安曲线及循环伏安电量

5．3．2 阳极析氯电流效率

5．3．3 阳极极化曲线与析氯电位

5．3．4 NaCl浓度对Ti／RuO2-IrO2-SnO2阳极失效行为的影响

5．3．5 阳极在NaCl溶液中强化电解失效前后形貌对比

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

附录：攻读硕士期间发表的学术论文