Ti/IrCo/RuTiSn氧化物阳极的研制及应用研究

论文摘要

电解海水防污技术是防止冷却水系统生物污损最安全、有效的办法。而金属氧化物阳极材料是该技术的关键,其电催化性和电化学稳定性是最终评价阳极性能的两个主要指标。在某些盐度较低,受锰离子污染的特殊海域,目前的阳极却存在着电催化活性和稳定性不足的问题。针对上述问题,本文应用热分解法,通过引入中间层和改变工艺条件考察对阳极性能的影响。采用析氯析氧电位、循环伏安曲线、极化曲线及加速寿命等测试方法考察阳极涂层的电化学性能,并通过扫描电镜（SEM）、电子探针（EPMA）和X射线衍射分析（XRD）等观察涂层表面形貌及进行物相分析,研制出一种适合电解海水,特别是淡海水应用的氧化物阳极。对改善电极稳定性的研究表明:IrCo中间层能提高表层与基体的结合力,不仅显著改善了电极的稳定性而且保持了良好的电催化活性。随中间层层数的增加,阻挡氧渗透的作用增强,延缓电极的失效。强化寿命值达到了RuTiSn电极的44倍。通过SEM、EPMA及交流阻抗测试分析得出两种电极的失效机理不同:Ti/RuTiSn电极的失效是由于活性物质的丧失和不导电的TiO2膜的生成;Ti/IrCo/RuTiSn电极的失效则是主要是由于基体不导电的TiO2的生成。通过考察制备工艺条件（溶剂种类、涂液浓度、涂刷次数及热氧化温度等）对催化性能的影响,结果表明异丙醇和正丁醇混合作为溶剂有利于提高电催化活性。随涂液浓度的增加,阳极表面的龟裂纹增加,伏安电量随之增加。涂液浓度为0.4mol/L时,电极呈现了较好的电催化活性。随着涂刷次数的增加,涂层呈现出阳极典型的龟裂纹形貌,涂刷次数不应少于14次。热氧化温度为420℃时涂液的氧化反应已完全,涂层表面形成固溶的金红石型稳定结构,电极电催化活性较好。通过失效阳极的分析知,在电解过程中MnO2的沉积是导致阳极失效的重要原因。同时考察了电极在普通海水和淡海水中的电流效率,并进行了含锰离子的强化寿命实验。结果表明含中间层的RuTiSn电极在盐度较低时仍具有较高的电流效率,并呈现很好的抗Mn2+污染的能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 海洋生物污损的防治
• 1.1.2 海水电解防污的原理
• 1.2 电解海水防污中的核心—电极材料
• 1.3 电极材料的发展简史
• 1.4 涂层钛阳极的研究概况
• 1.4.1 涂层配方的研究
• 1.4.2 阳极制备方法的研究
• 1.4.3 涂层结构的研究
• 1.5 钛阳极工作及失效机理
• 1.5.1 钉钛涂层的导电机理
• 1.5.2 涂层钛阳极的失效机理研究
• 1.6 DSA阳极应用概况
• 1.7 阳极在电解制氯中的应用及发展前景
• 1.7.1 阳极在电解制氯中的应用
• 1.7.2 海水电解技术发展前景
• 1.7.3 电解海水用阳极存在的问题
• 1.8 选题意义及研究内容
• 2 实验方法和测试分析
• 2.1 实验药品及仪器设备
• 2.2 阳极的制备过程
• 2.2.1 基体材料的选择
• 2.2.2 基体的前处理
• 2.2.3 涂液的配制
• 2.2.4 阳极涂层的制备
• 2.3 阳极涂层的形貌及物相表征
• 2.3.1 表面形貌的观察
• 2.3.2 涂层表面物相成分分析
• 2.3.3 X射线衍射结构分析（XRD）
• 2.4 热分析
• 2.5 阳极的电化学性能测试
• 2.5.1 析氯电位和析氧电位的测试
• 2.5.2 强化寿命测试
• 2.5.3 极化曲线
• 2.5.4 循环伏安曲线测试
• 2.5.5 电化学交流阻抗谱
• 2.5.6 有效氯浓度和电流效率测试
• 3 中间层对阳极稳定性的影响
• 3.1 引言
• 3.2 电极的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 中间层对电极强化寿命的影响
• 3.3.2 中间层对电极氯氧电位的影响
• 3.3.3 中间层对表面伏安电量 Q的影响
• 3.3.4 中间层对电极表面形貌的影响
• 3.3.5 电子探针分析
• 3.3.6 阳极涂层的交流阻抗谱（EIS）表征
• 3.4 本章小结
• 4 阳极制备工艺对电催化性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 溶剂对阳极电催化性能的影响
• 4.2.1 阳极涂层的制备
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 涂液浓度对阳极性能的影响
• 4.3.1 阳极涂层的制备
• 4.3.2 涂液浓度对阳极性能的影响
• 4.4 涂刷次数对阳极性能的影响
• 4.4.1 涂刷次数对阳极表面形貌的影响
• 4.4.2 涂刷次数对循环伏安电量的影响
• 4.4.3 涂刷次数对阳极极化曲线的影响
• 4.5 热氧化温度对阳极性能的影响
• 4.5.1 热分析
• 4.5.2 X射线衍射分析（XRD）
• 4.5.3 阳极涂层的表面形貌分析
• 4.5.4 循环伏安测试
• 4.5.5 极化曲线表征
• 4.6 本章小结
• 5 阳极在海水中的应用研究
• 5.1 阳极的制备
• 5.2 有效氯浓度及电流效率测试
• 5.2.1 阳极的在普通海水中有效氯浓度及析氯电流效率
• 5.2.2 氯离子浓度对电流效率的影响
• 5.3 阳极抗锰离子污染的研究
• 5.3.1 电厂失效阳极的表面形貌及物相分析
• 2+的强化寿命实验'>5.3.2 含Mn²⁺的强化寿命实验
• 5.3.3 失效阳极的表面形貌及物相分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文及申请专利情况
• 致谢