IrO-TaO/Ti析氧阳极制备工艺改进及性能

摘要

IrO2-Ta2O5涂层钛阳极具有良好的电催化活性与电化学稳定性，被公认为酸性析氧环境中理想的阳极材料，但其低寿命高成本制约了在电镀、废水处理、阴极保护与有机电合成等领域的广泛应用。本论文以IrO2（70 mol％）-Ta2O5（30 mol％）涂层钛阳极为主要研究对象，采用热分解法分别制备了Ti/TiN/IrO2-Ta2O5涂层电极、SnO2-IrO2-Ta2O5三元电极以及按照正交分析法设计的IrO2-Ta2O5涂层电极，系统研究了原位TiN薄膜、SnO2氧化物掺杂以及不同制备因素对IrO2-Ta2O5涂层钛阳极电化学性能的影响。 在高纯N2中高温热处理Ti片原位生长Ti/TiN薄膜，首次采用热分解法在薄膜表面制备IrO2-Ta2O5涂层钛阳极，发现电极表面具有非连续状裂纹结构，且生长有大量IrO2纳米晶体，尺寸在80～200 nm之间。电极的循环伏安电荷、稳态开路电位、析氧电流以及双电层电容都要高于常规IrO2-Ta2O5/Ti电极。中间层的作用在低温下较为明显。当制备温度低于500℃时，中间层明显增加了电极的催化活性与使用寿命。电极失效过程中，TiN薄膜促使槽电压与电荷转移电阻保持了更长时间的稳定。 通过添加SnCl4的乙醇溶液到涂液中，采用热分解法制备了不同SnO2含量的SnO2-IrO2-Ta2O5/Ti涂层电极，SnO2的掺杂减少了涂层表面的裂纹数量，减小了裂纹宽度。当SnO2含量低于或者等于10 mol％时，电极表面的晶体尺寸减小，析氧电流密度、循环伏安电量以及双电层电容增加，电催化活性得到提高。在失效过程中，电极经历了“活化区”、“稳定区”、“失效区”三个阶段，SnO2的存在增加了电极的稳定性与耐酸腐蚀性，延长了“稳定区”的寿命。 首次采用正交分析法系统研究烧结温度、烧结时间、铱钽比例、铱的负载量以及酸处理工艺对Ti/IrO2-Ta2O5电极催化活性的影响，得到最佳的制备工艺如下：（1）烧结温度为400℃；（2）涂层中Ir的负载量为20 g/c㎡；（3） Ta2O5的相对含量为55 wt％；（4）热氧化时间为2h；（5） Ti基体酸刻蚀工艺采用18 wt％盐酸加饱和草酸组成的混酸。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 钛基金属氧化物阳极

1.1.1概述

1.1.2钛基金属氧化物阳极的结构

1.1.3钛基金属氧化物阳极的制备方法

1.1.4钛基金属氧化物阳极的电催化机理

1.1.5钛基金属氧化物阳极的失效机理

1.2 IrO2-Ta2O5/Ti阳极性能的影响因素

1.2.1烧结温度

1.2.2涂层厚度

1.2.3涂液组分

1.2.4涂液施加方式

1.3 IrO2-Ta2O5/Ti阳极性能的改进

1.3.1基体表面处理

1.3.2添加中间层

1.3.3金属氧化物掺杂

1.4论文选题的目的与意义

第二章实验方法及测试

2.1化学药品与实验仪器

2.1.1化学药品

2.1.2实验仪器

2.2材料制备

2.2.1原位热处理法制备Ti/TiN薄膜

2.2.2热分解法制备IrO2-Ta2O5/Ti阳极材料

2.2.3 IrO2-Ta2O5/TiN/Ti阳极材料的制备

2.2.4 IrO2-Ta2O5-SnO2/Ti阳极材料的制备

2.3电极材料表征

2.3.1物相分析(XRD)

2.3.2表面形貌分析(SEM)

2.3.3紫外-可见光谱分析(UV)

2.4电极材料的的性能测试

2.4.1酸刻蚀曲线测试

2.4.2开路电位测试

2.4.3析氧极化曲线

2.4.4循环伏安曲线(CV)

2.4.5交流阻抗谱图(EIS)

2.4.6强化寿命测试

2.4.7电极失效过程的监测

第三章 TiN/IrO2-Ta2O5涂层钛阳极的电化学性能

3.1引言

3.2结果与讨论

3.2.1 XRD结构表征

3.2.2表面形貌分析

3.2.3电化学性能

3.2.4强化寿命

3.3失效机理的研究

3.4本章小结

第四章 SnO2-IrO2-Ta2O5涂层钛阳极的电化学性能

4.1引言

4.2结果与讨论

4.2.1 XRD结构表征

4.2.2表面形貌

4.2.3电化学性能

4.2.4强化寿命

4.3失效机理的研究

4.4本章小结

第五章 Ti/IrO2-Ta2O5阳极传统制备工艺的改进

5.1引言

5.2结果与讨论

5.2.1酸刻蚀溶液的研究

5.2.2催化活性影响因素的正交分析

5.3本章小结

第六章总结与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文