基于鈦陽極氧化物涂層的性能對比

Summary：為研究不同石墨烯含量的鈦陽極氧化物涂層的性能，本文利用熱分解法制備了含石墨烯的Ti/IrO2-Ta2O5-G陽極，分析了加入石墨烯對兩種鈦陽極性能的影響。利用電子顯微鏡、X射線衍射儀和能譜儀等分析了鈦陽極循環(huán)伏安、強化電解壽命和陽極極性等電化學性能。研究結果表明，添加石墨烯的Ti/IrO2-Ta2O5-G活性、使用壽命等得到了進一步的提升。Keys：鈦陽極；金屬氧化物涂層；強化電解壽命：TG335.86：A引言：在鈦基體上涂抹二氧化銥可以制備鈦陽極氧化物涂層，二氧化銥涂層使用壽命和電催化活性較強，原因是二氧化銥中Ir3+/Ir4+離子電極位較低，因此在酸性環(huán)境中，其析氧催化活性較高。但是二氧化銥涂層存在價格貴、壽命短和易脫落等問題，在其中加入Ta、Sn等金屬，可以提高二氧化銥涂層使用壽命。1試驗方法1.1試驗儀器和材料試驗藥劑：草酸、無水乙醇、氯銥酸（30%純度，H2IrCl6·6H2O）、TaCl5正丁醇溶液（2g/ml-1）、氯化鈉（HCl）、碳酸鈉（Na2CO3）、氫氧化鈉（NaOH）、磷酸三鈉（Na3PO4）、濃硫酸（H2SO4）等溶液。試驗儀器：數(shù)顯恒溫槽、電子調(diào)節(jié)萬用電爐、超聲波清洗器、電子分析天平、場發(fā)射掃描電子顯微鏡、X-射線衍射儀等。1.2鈦陽極氧化物涂層制備1.2.1鈦基體處理試驗基體采用工業(yè)TA2鈦板，對其進行噴砂處理，然后利用酸溶液和堿溶液對鈦基體進行清洗[1]。堿溶液包括Na2CO3、NaOH、Na3PO4，按照25：4：45質量比進行配置，然后將經(jīng)過初步處理的鈦板放入溶液中進行煮沸，持續(xù)1h后取出利用清水清洗干凈，最后放入蒸餾水中利用超聲波清洗器清洗10min，以取出鈦板上殘留的溶液。鈦板清洗并烘干后放入質量分數(shù)為10%的草酸溶液中煮沸，持續(xù)2h后取出，利用清水清洗后放入蒸餾水中清洗，最后放入無水乙醇中進行保存。1.2.2涂層鈦陽極制備稱取適量石墨烯放入正丁醇溶液中，然后加入HCl溶液利用超聲波加快溶液的混合，最后加入H2IrCl6·6H2O和TaCl5正丁醇溶液，最終獲得涂液[2]。將涂液均勻涂抹于處理后的鈦板表面，放入溫度為120℃環(huán)境中干燥10min后獲得涂層鈦陽極（Ti/IrO2-Ta2O5-G）。計算鈦板處理前和處理后的質量和涂層的涂覆量。2試驗分析2.1循環(huán)伏安曲線分析添加石墨烯的鈦陽極和未添加示波器的鈦陽極氧化還原峰存在較大差異，Ti/IrO2-Ta2O5-G陽極可逆性優(yōu)于Ti/IrO2-Ta2O5陽極，由此表明在Ti/IrO2-Ta2O5陽極中添加石墨烯后Ir4+和Ir3+離子之間轉化可逆性得到了進一步提高[3]。另外，隨著石墨烯添加量不斷加大，鈦陽極循環(huán)伏安電量持續(xù)增長，當添加量達到0.4g·L-1時，電量增長達到最大值[4]。當石墨烯含量不斷提高時，鈦陽極中IrO2含量也得到了增長，進而增加了鈦陽極表面活性點。石墨烯添加含量超過0.4g·L-1時，鈦陽極中IrO2含量達到飽和，相對含量減少，進而導致循環(huán)伏安電量有所下降。2.2極化曲線分析添加石墨烯后，鈦陽極氧化涂層極化曲線均存在塔菲爾曲線區(qū)域，其中塔菲爾曲線電流密度i和點位對數(shù)線性關系為：（1）鈦陽極極化過程中：（2）（3）式中：為傳遞系數(shù)；R為摩爾氣體常數(shù)；T為絕對溫度；F為法拉第常數(shù)；i0為交換電流密度；n為電子數(shù)。采用擬合方法對極化曲線進行處理，將獲得的a值和b值代入式（2）、（3）中，得到鈦陽極交換電流密度值，如表1所示。從表中看出，添加石墨烯的Ti/IrO2-Ta2O5-G陽極交換電流密度持續(xù)增長，與Ti/IrO2-Ta2O5陽極相比，添加石墨烯后，鈦陽極交換電流增長幅度較大，并且進一步增加鈦陽極電催化活性[5]。表1鈦陽極交換電流密度值石墨烯含量/g·L-100.10.20.3a/V2.0141.6181.6151.609b/V0.2930.3120.3250.324i0/A·cm-21.337×10-76.518×10-61.073×10-51.081×10-52.3強化電解壽命測試添加石墨烯的鈦陽極與未添加石墨烯的鈦陽極強化電解時槽壓變化存在較大區(qū)別。與Ti/IrO2-Ta2O5陽極相比，Ti/IrO2-Ta2O5-G陽極槽壓變化穩(wěn)定，并未出現(xiàn)快速提高的情況，由此表明，兩種鈦陽極失效機理不同[6]。通常情況下，鈦陽極強化電解壽命與使用壽命成正比，由此可知添加石墨烯可以進一步提高鈦陽極使用壽命，因此Ti/IrO2-Ta2O5-G陽極強化電解壽命明顯高于Ti/IrO2-Ta2O5陽極。另外，石墨烯比表面積較大，將其加入鈦陽極中可以進一步增加鈦陽極活性表面，降低鈦陽極電流密度；添加石墨烯可以降低鈦陽極析氧過電位，減小反應阻力，加快析氧反應速度；石墨烯與鈦陽極涂層組元之間相互作用，可以細化鈦陽極表面IrO2結晶，使鈦陽極具備更加優(yōu)越的電解耐久性。3結論：綜上所述，比較了Ti/IrO2-Ta2O5陽極和Ti/IrO2-Ta2O5-G陽極氧化物涂層的性能，發(fā)現(xiàn)Ti/IrO2-Ta2O5-G陽極電化學活性表面積和析氧電催化活性均高于Ti/IrO2-Ta2O5陽極；添加石墨烯后的Ti/IrO2-Ta2O5-G陽極強化電解壽命更高，并且失效后的Ti/IrO2-Ta2O5-G陽極表面變化較小，涂層破損面積較小。Reference：[1]莊曉東,田林,林琳,楊妮,李小英,謝剛.含Mn涂層鈦陽極的制備及性能[J].有色金屬工程,2022,12(07):33-38.[2]林琳,莊曉東,田林,楊妮,李小英.鈦陽極金屬氧化物涂層的性能對比研究[J].云南冶金,2022,51(03):131-138.[3]王冰冰,謝剛,俞小花,田林,林琳,楊妮.析氧型貴金屬涂層鈦陽極的研究進展[J].有色金屬科學與工程,2021,12(01):1-7.[4]路雨禾,王偉,路殿坤,謝鋒.電解沉積用尺寸穩(wěn)定型鈦陽極的研究現(xiàn)狀[J].有色金屬(冶煉部分),2020(11):18-24.[5]劉鈺如,王欣,唐電.嵌入二氧化錫納米晶對熱分解