含石墨烯钛基金属氧化物阳极性能改进研究

发布时间：2017-09-21 03:21

  本文关键词：含石墨烯钛基金属氧化物阳极性能改进研究

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【摘要】：钛基金属氧化物涂层电极是指以钛为基体,并在其表面涂覆贵金属氧化物涂层的阳极,简称DSA。Ti/IrO2-Ta2O5阳极是钛基体表面涂覆一层IrO2和Ta2O5混合金属氧化物涂层,是目前公认的具有良好电催化性能和稳定性的析氧阳极。Ti/RuO2-IrO2-SnO2阳极是钛基体表面涂覆一层RuO2、IrO2和Sn02混合金属氧化物涂层,常被用作电解海水用阳极。随着两种阳极应用领域的不断扩大,要求阳极不仅要有优异的电催化活性,还应具有较长的使用寿命。石墨烯(graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新型二维碳纳米材料,常温下,具有很大的比表面积(2630m2·g-1)和很高的导电性能。本文利用石墨烯优异的性能,研究了其在改进钛基金属氧化物涂层电极中的应用。采用热分解法制备了添加石墨烯的IrO2-Ta2O5涂层钛阳极和RuO2-IrO2-Sn02涂层钛阳极,考察了石墨烯的加入对两种阳极电催化性能和电极稳定性的影响。并运用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等分析手段和析氧电位(OEP)、析氯电位(CEP)、循环伏安(CV)、阳极极化、电化学阻抗谱(EIS)和强化电解寿命(ALT)等电化学测试方法对阳极的微观结构和电化学性能进行研究。研究了石墨烯添加量对IrO2-Ta2O5涂层钛阳极电化学性能的影响,结果表明,加入石墨烯的Ti/IrO2-Ta2O5-G阳极涂层表面具有更多的活性中心和更大的活性表面积,加有不同量石墨烯的Ti/IrO2-Ta2O5-G阳极的电化学性能都有一定程度的提高,其中加入0.4 g·L-1石墨烯阳极的电化学性能提高最明显。研究了烧结温度对添加石墨烯Ti/IrO2-Ta2O5-G阳极性能的影响,结果表明,当烧结温度在450℃以上时,阳极涂层表面具有明显的凹凸形貌和较强的Ir02衍射峰强度,随着烧结温度的上升,平均晶粒尺寸D逐渐增大。400℃下制备的Ti/IrO2-Ta2O5-G阳极具有最高的析氧电催化活性,随着烧结温度不断升高,阳极电催化活性降低。400℃下制备的阳极强化电解寿命最低,随着烧结温度不断升高,阳极强化电解寿命显著增加,500℃下制备的阳极强化电解寿命最高,随着温度进一步升高,强化电解寿命又有所降低。研究了添加石墨烯对Ti/RuO2-IrO2-SnO2-G阳极电化学性能的影响,并讨论了阳极失效行为。与传统Ti/RuO2-IrO2-SnO2阳极相比,该类阳极涂层具有更大的活性表面积,更高的电催化活性和强化电解寿命。传统阳极涂层表面的电催化活性组分在强化电解80 h后已损失严重,钛基体的暴露也明显增加,而新型阳极在强化电解80 h后表面活性组分虽然也有减少,但较传统阳极减少不明显,表明新型阳极在强化电解80 h后仍有一定的电催化能力。氧化物涂层活性组分的溶解、脱落和不导电TiO2的增加是两种阳极失效的主要要因。
【关键词】：金属氧化物阳极 石墨烯 电催化 烧结温度 强化电解寿命
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.41;O646.54
【目录】：

• 摘要12-14
• ABSTRACT14-16
• 符号注释说明16-17
• 第一章 绪论17-30
• 1.1 前言17-18
• 1.2 几种常用金属氧化物涂层电极18-21
• 1.2.1 Ti/RuO_2系列电极18-19
• 1.2.2 Ti/SnO_2系列电极19-20
• 1.2.3 Ti/IrO_2系列电极20
• 1.2.4 其它类电极20-21
• 1.3 金属氧化物阳极的改性研究21-22
• 1.3.1 涂层中间层的研究21
• 1.3.2 涂层掺杂的研究21-22
• 1.3.3 电极制备方法的研究22
• 1.4 金属氧化物失效研究22-25
• 1.4.1 涂层的溶蚀22-23
• 1.4.2 涂层的剥落23
• 1.4.3 钛基体的钝化23-24
• 1.4.4 涂层的“毒化”24
• 1.4.5 其它原因24-25
• 1.5 提高金属氧化物阳极寿命的途径25-27
• 1.5.1 适宜的基体材料25
• 1.5.2 优化制备工艺25-26
• 1.5.3 加入中间层26
• 1.5.4 新组元的掺杂26-27
• 1.6 石墨烯的研究进展27-28
• 1.7 选题意义及内容介绍28-30
• 1.7.1 课题研究的意义28
• 1.7.2 课题研究的内容28-30
• 第二章 实验方法30-35
• 2.1 实验仪器和材料30-31
• 2.2 氧化物阳极涂层的制备31-32
• 2.2.1 钛基体预处理31
• 2.2.2 涂液的配制和阳极的制备31-32
• 2.3 阳极微观结构和电化学性能测试32-34
• 2.3.1 涂层表面形貌和成分分析32
• 2.3.2 涂层物相分析32-33
• 2.3.3 电化学性能测试33-34
• 2.4 强化电解寿命测试(ALT)34-35
• 第三章 石墨烯添加量对Ti/IrO_2-Ta_2O_5-G阳极性能的影响35-52
• 3.1 引言35
• 3.2 研究方法35-36
• 3.2.1 阳极的制备35-36
• 3.2.2 阳极微观形貌和电化学性能测试36
• 3.3 实验结果与讨论36-51
• 3.3.1 阳极涂层表面形貌和能谱分析36-38
• 3.3.2 析氧电位测试38-39
• 3.3.3 循环伏安曲线分析39-40
• 3.3.4 极化曲线分析40-42
• 3.3.5 电化学阻抗分析42-44
• 3.3.6 强化电解寿命测试44-50
• 3.3.6.1 强化电解寿命44-45
• 3.3.6.2 阳极强化电解前后的表面形貌及元素成分分析45-48
• 3.3.6.3 循环伏安测试48-49
• 3.3.6.4 电化学阻抗谱49-50
• 3.3.7 石墨烯氧化温度的测定50-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第四章 制备温度对Ti/IrO_2-Ta_2O_5-G阳极性能的影响52-61
• 4.1 引言52
• 4.2 实验方法52-53
• 4.2.1 阳极的制备52
• 4.2.2 阳极微观形貌和电化学性能测试52-53
• 4.3 实验结果与讨论53-60
• 4.3.1 不同烧结温度下的表面形貌53-54
• 4.3.2 不同烧结温度下的物相分析54-55
• 4.3.3 循环伏安曲线分析55-56
• 4.3.4 极化曲线分析56-57
• 4.3.5 电化学阻抗分析57-59
• 4.3.6 强化电解寿命59-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第五章 添加石墨烯对RuO_2-IrO_2-SnO_2涂层钛阳极性能的影响61-70
• 5.1 引言61
• 5.2 实验方法61-62
• 5.2.1 阳极的制备61
• 5.2.2 阳极微观形貌和电化学性能测试61-62
• 5.3 实验结果与讨论62-69
• 5.3.1 表面形貌62
• 5.3.2 物相结构62-63
• 5.3.3 析氯、析氧电位分析63-64
• 5.3.4 循环伏安曲线分析64
• 5.3.5 极化曲线分析64-65
• 5.3.6 强化电解寿命测试65-69
• 5.3.6.1 强化电解寿命65-66
• 5.3.6.2 表面形貌及成分分析66-67
• 5.3.6.3 电化学阻抗分析67-69
• 5.4 本章小结69-70
• 第六章 结论70-72
• 参考文献72-78
• 致谢78-79
• 附录：攻读硕士期间发表的学术论文79-80
• 附件80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 蒋驰,周晋林,张鹏程,肖云峰,税毅,王术刚,刘春荣,刘清和;等离子喷涂参数对钽涂层组织及性能的影响[J];材料保护;2002年08期

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5 王科,韩严,王雷远,张晓玲,孙玉璞;海水电解Ru-Ti-Ir-Sn氧化物阳极涂层研究[J];电化学;2005年02期

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本文编号：892082