基于掺杂改性的Ti基析氧阳极制备及应用研究

发布时间：2021-07-12 07:16

　　金属锰是一种重要的工业生产原料,被广泛应用于冶金、化工、航天、农业等领域。采用电解法生产金属锰时,其直流电耗为5600～7000 kW·h/t,电流效率为65～70%,存在高能耗、低电效的问题。阳极作为电解锰生产中的重要设备,其性能优劣会对生产能耗以及阴极产品质量产生重要影响。电解锰生产过程中,阳极会发生析氧反应,析氧反应产生的过电位会增高直流电耗,因此,研发一种高性能、低成本的析氧阳极材料对电解锰行业的节能降耗具有十分重要的意义。本研究针对传统Ti/IrO2阳极存在的制备成本高和析氧催化性能有待改善的问题,向Ti/IrO2阳极涂层中分别掺入了钌、硅和锆,制备成了二元以及三元氧化物涂层阳极。采用XRD、XPS、FESEM、LSV、CV、EIS等物相分析和电化学分析方法对钌、硅和锆掺入对氧化物涂层物相组成、微观结构和电化学性能的影响进行了研究,阐释了钌、硅和锆掺入对阳极涂层的改性机制,探析了制备条件、涂层性质和阳极析氧催化性能三者的相互影响关系,明晰了阳极在硫酸体系中使用时的失效机理。针对电解锰能耗高的问题,以制备的新型Ti基析氧阳极材料替代传统的电解锰用Pb合金阳极材料,在阴离子交换膜... 

【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：170 页

【学位级别】：博士

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图２－２Ｒｕ０２和ｌｒ〇２的析氧催化反应机理（ａ－Ｒｕ〇２；?ｂ－ｌｒ０２）??在使用过程中发现，Ｒｕ〇２的析氧催化活性要优于Ｉｒ〇２［３５，圳，但Ｒｕ〇２在硫酸??，Ｉ３７，３８］

体与氧化物涂层之间加入一层??中间层，也可有效的改善阳极的催化活性以及稳定性。Ｍｏｈａｍｍａｄ等Ｍ采用??电化学氧化的方法，在Ｔｉ基体与Ｉｒ０２－Ｒｕ０２－Ｔａ２０５三元氧化物涂层之间加入??了?Ｔｉ纳米管结构的中间层，制备了?Ｔｉ／Ｔｉ〇２ＮＴｓ／Ｉｒ０２－Ｒｕ〇２－Ｔａ２〇５阳极，研究??结果表明，Ｔｉ纳米管中间层的加入有效的延长了阳极的使用寿命。Ｗｕ等??采用电沉积的方法在Ｔｉ基体与Ｉｒ０２涂层之间制备了一层ｅ－Ｓｉ０２中间层，并对??中间层制备工艺参数进行了研宄，其制备流程如图２－３所示：??广１??Ｐｔ?ｏｒ?ｇｒａｐｈｉｔｅ?ｐｌａｔｅ?Ｔｉ?ｓｕｂｓｔｒａｔｅ??图２－３?Ｔｉ／ｅ－Ｓｉ０２／丨ｒ〇２阳极制备流程??研宄结果表明，在体积比为１：１的乙醇－ＫＮ〇３电解液中加入硅酸四乙酯??（ＴＥＯＳ），以－１．９?Ｖ的电位沉积２００秒所得的ｅ－Ｓｉ０２中间层最适合阳极的制??备，ｅ－Ｓｉ０２中间层的加入促进了?Ｉｒ０２晶体的析出，提高了阳极的析氧催化活??性表面积，与传统Ｔｉ／Ｉｒ０２阳极相比，制得的Ｔｉ／ｅ－Ｓｉ０２／Ｉｒ０２阳极具有更好的析??氧催化活性与使用寿命。廖永兰［４７］采用热分解的方法在Ｔｉ基底与Ｉｒ０２－Ｔａ２０５??二元氧化物涂层之间制备了?Ｓｎ０２－Ｓｂ２０５中间层，锡锑中间层的引入抑制了电??解过程中Ｔｉ０２绝缘层的生成，降低了涂层电阻，增强了氧化物涂层与基体的??结合力，起到了延长阳极使用寿命的效果，制备的Ｔｉ／Ｓｎ０２－Ｓｂ２０５／Ｉｒ０２－Ｔａ２０５??阳极的使用寿命为传统Ｔｉ／Ｉｒ０２－Ｔａ２０５阳极使用寿命的２倍，此外，锡锑中间??层的引用也改善了阳极的析氧催化活性，降低了析

ｓ、??３０?ｍＶ／ｓ、４０?ｍＶ／ｓ、５０?ｍＶ／ｓ、６０?ｍＶ／ｓ、７０?ｍＶ／ｓ、８０?ｍＶ／ｓ、９０?ｍＶ／ｓ?和?１００?ｍＶ／ｓ。??交流阻抗测试法通过控制研究电极的电位按小幅度正弦波变化，同时测??量极化电流的变化，通过测定的电位振幅、电流振幅和相位，可求出电极的??交流阻抗，从而用于研究电极的电化学性能以及各种动力学参数。实验过程??中根据阳极涂层性能的不同采用不同电位获得了阳极的阻抗数据，施加的电??位扰动为５?ｍＶ。??ｋｍ?ｒ??■?ｍＭＭ??■Ｓｋｉ??图３－１阳极加速寿命实验示意图??Ｔｉ基氧化物涂层阳极使用寿命较长，一般可达数年，在正常使用条件下??对阳极的使用寿命进行研究会花费大量的时间。由于阳极的使用寿命与使用??时的电流密度成反比，基于此，可在高电流密度的条件下对阳极寿命进行研??究，以简化研究过程。图３－１所示为Ｔｉ基氧化物涂层阳极加速寿命实验，加??速寿命实验的实验条件为：Ｔｉ基氧化物涂层电极为阳极，石墨为阴极，阳极??电流密度为２?Ａ／ｃｍ２，电解液为０．５?ｍｏｌ／Ｌ的硫酸溶液，当电解过程中检测到??的电压高于１０?Ｖ时，则认定阳极失效。??－２５－??

【参考文献】：
期刊论文
[1]2018年中国电解金属锰行业市场分析与展望[J]. 李维健,谭蓉,张丽云,梁慧.  中国锰业. 2019(03)
[2]2017年中国电解锰工业回顾及未来展望[J]. 朱志刚.  中国锰业. 2018(01)
[3]不同电沉积方法对Ti/Pb-WC-PANI复合电极催化活性及强化寿命的影响[J]. 武博,曹梅,郭忠诚,谢香兰.  材料保护. 2018(01)
[4]阴离子交换膜无硒电解金属锰工艺及工业可行性探索[J]. 郑凡,黄炳行,闭伟宁,朱华.  中国锰业. 2016(05)
[5]SiMo11Ti/GO/PANI复合材料的合成及光催化降解刚果红[J]. 栗凤侠,马荣华,丁玲玉,白丽明.  印染助剂. 2016(09)
[6]Current efficiency of Ga electrodeposition under different anions concentrations[J]. Ke-Ke Li,Yi-Fei Zhang,Shao-Tao Cao,Yi Zhang.  Rare Metals. 2016(04)
[7]锌电积用新型Al/Pb-0.3%Ag-0.06%Ca复合β-PbO2颗粒阳极的性能研究[J]. 杨健,王帅,陈步明,郭忠诚.  昆明理工大学学报(自然科学版). 2015(04)
[8]臭氧催化氧化法处理含酚废水的研究进展[J]. 石岩,邓淑仪,许丹宇,段云霞,侯霙.  环境工程. 2015(03)
[9]Pb-0.3%Ag/Pb-CeO2复合阳极材料电化学性能[J]. 何世伟,徐瑞东,陈汉森,黄利平,孔营,陈步明.  稀有金属材料与工程. 2014(08)
[10]用离子膜电解槽无硒电沉积金属锰[J]. 冯雅丽,杜云龙,李辉,周宇照,王维大.  湿法冶金. 2014(03)

硕士论文
[1]Mg2+对锰电解液性质及电积过程的影响研究[D]. 廖璐.贵州大学 2015
[2]锌电积用钛基二氧化铅电极的性能研究[D]. 陈影.昆明理工大学 2015
[3]电解金属锰绿色复合添加剂的研究[D]. 赖颖明.中南大学 2014
[4]电解锰电极过程机理的研究[D]. 习苏芸.重庆大学 2012
[5]Ti/SnO2+Sb2O5/IrO2+Ta2O5复合电极的制备与性能研究[D]. 廖永兰.大连理工大学 2008
[6]Al基SnO2+Sb2O3、SnO2+Sb2O3+MnO2涂层二氧化铅电极的制备及其应用[D]. 曹梅.昆明理工大学 2005



本文编号：3279473