基于钛阳极氧化物涂层的性能对比

基于钛阳极氧化物涂层的性能对比

孟鹏帅 ,贺斌

西安泰金工业电化学技术有限公司 陕西西安 710000

摘要：为研究不同石墨烯含量的钛阳极氧化物涂层的性能，本文利用热分解法制备了含石墨烯的Ti/IrO2-Ta2O5-G阳极，分析了加入石墨烯对两种钛阳极性能的影响。利用电子显微镜、X射线衍射仪和能谱仪等分析了钛阳极循环伏安、强化电解寿命和阳极极性等电化学性能。研究结果表明，添加石墨烯的Ti/IrO2-Ta2O5-G活性、使用寿命等得到了进一步的提升。

关键词：钛阳极；金属氧化物涂层；强化电解寿命

中图分类号：TG335.86文献标识码：A

引言：在钛基体上涂抹二氧化铱可以制备钛阳极氧化物涂层，二氧化铱涂层使用寿命和电催化活性较强，原因是二氧化铱中Ir3+/Ir4+离子电极位较低，因此在酸性环境中，其析氧催化活性较高。但是二氧化铱涂层存在价格贵、寿命短和易脱落等问题，在其中加入Ta、Sn等金属，可以提高二氧化铱涂层使用寿命。

1 试验方法

1.1 试验仪器和材料

试验药剂：草酸、无水乙醇、氯铱酸（30%纯度，H2IrCl6·6H2O）、TaCl5正丁醇溶液（2g/ml-1）、氯化钠（HCl）、碳酸钠（Na2CO3）、氢氧化钠（NaOH）、磷酸三钠（Na3PO4）、浓硫酸（H2SO4）等溶液。

试验仪器：数显恒温槽、电子调节万用电炉、超声波清洗器、电子分析天平、场发射扫描电子显微镜、X-射线衍射仪等。

1.2 钛阳极氧化物涂层制备

1.2.1 钛基体处理

试验基体采用工业TA2钛板，对其进行喷砂处理，然后利用酸溶液和碱溶液对钛基体进行清洗[1]。碱溶液包括Na2CO3、NaOH、Na3PO4，按照25：4：45质量比进行配置，然后将经过初步处理的钛板放入溶液中进行煮沸，持续1h后取出利用清水清洗干净，最后放入蒸馏水中利用超声波清洗器清洗10min，以取出钛板上残留的溶液。钛板清洗并烘干后放入质量分数为10%的草酸溶液中煮沸，持续2h后取出，利用清水清洗后放入蒸馏水中清洗，最后放入无水乙醇中进行保存。

1.2.2 涂层钛阳极制备

称取适量石墨烯放入正丁醇溶液中，然后加入HCl溶液利用超声波加快溶液的混合，最后加入H2IrCl6·6H2O和TaCl5正丁醇溶液，最终获得涂液[2]。将涂液均匀涂抹于处理后的钛板表面，放入温度为120℃环境中干燥10min后获得涂层钛阳极（Ti/IrO2-Ta2O5-G）。计算钛板处理前和处理后的质量和涂层的涂覆量。

2 试验分析

2.1 循环伏安曲线分析

添加石墨烯的钛阳极和未添加示波器的钛阳极氧化还原峰存在较大差异，Ti/IrO2-Ta2O5-G阳极可逆性优于Ti/IrO2-Ta2O5阳极，由此表明在Ti/IrO2-Ta2O5阳极中添加石墨烯后Ir4+和Ir3+离子之间转化可逆性得到了进一步提高[3]。

另外，随着石墨烯添加量不断加大，钛阳极循环伏安电量持续增长，当添加量达到0.4g·L-1时，电量增长达到最大值[4]。当石墨烯含量不断提高时，钛阳极中IrO2含量也得到了增长，进而增加了钛阳极表面活性点。石墨烯添加含量超过0.4g·L-1时，钛阳极中IrO2含量达到饱和，相对含量减少，进而导致循环伏安电量有所下降。

2.2 极化曲线分析

添加石墨烯后，钛阳极氧化涂层极化曲线均存在塔菲尔曲线区域，其中塔菲尔曲线电流密度i和点位对数线性关系为：

（1）

钛阳极极化过程中：

（2）

（3）

式中：为传递系数；R为摩尔气体常数；T为绝对温度；F为法拉第常数；i0为交换电流密度；n为电子数。

采用拟合方法对极化曲线进行处理，将获得的a值和b值代入式（2）、（3）中，得到钛阳极交换电流密度值，如表1所示。从表中看出，添加石墨烯的Ti/IrO2-Ta2O5-G阳极交换电流密度持续增长，与Ti/IrO2-Ta2O5阳极相比，添加石墨烯后，钛阳极交换电流增长幅度较大，并且进一步增加钛阳极电催化活性[5]。

表1 钛阳极交换电流密度值

2.3 强化电解寿命测试

添加石墨烯的钛阳极与未添加石墨烯的钛阳极强化电解时槽压变化存在较大区别。与Ti/IrO2-Ta2O5阳极相比，Ti/IrO2-Ta2O5-G阳极槽压变化稳定，并未出现快速提高的情况，由此表明，两种钛阳极失效机理不同[6]。

通常情况下，钛阳极强化电解寿命与使用寿命成正比，由此可知添加石墨烯可以进一步提高钛阳极使用寿命，因此Ti/IrO2-Ta2O5-G阳极强化电解寿命明显高于Ti/IrO2-Ta2O5阳极。

另外，石墨烯比表面积较大，将其加入钛阳极中可以进一步增加钛阳极活性表面，降低钛阳极电流密度；添加石墨烯可以降低钛阳极析氧过电位，减小反应阻力，加快析氧反应速度；石墨烯与钛阳极涂层组元之间相互作用，可以细化钛阳极表面IrO2结晶，使钛阳极具备更加优越的电解耐久性。

3 结论：

综上所述，比较了Ti/IrO2-Ta2O5阳极和Ti/IrO2-Ta2O5-G阳极氧化物涂层的性能，发现Ti/IrO2-Ta2O5-G阳极电化学活性表面积和析氧电催化活性均高于Ti/IrO2-Ta2O5阳极；添加石墨烯后的Ti/IrO2-Ta2O5-G阳极强化电解寿命更高，并且失效后的Ti/IrO2-Ta2O5-G阳极表面变化较小，涂层破损面积较小。

参考文献：

[1]庄晓东,田林,林琳,杨妮,李小英,谢刚.含Mn涂层钛阳极的制备及性能[J].有色金属工程,2022,12(07):33-38.

[2]林琳,庄晓东,田林,杨妮,李小英.钛阳极金属氧化物涂层的性能对比研究[J].云南冶金,2022,51(03):131-138.

[3]王冰冰,谢刚,俞小花,田林,林琳,杨妮.析氧型贵金属涂层钛阳极的研究进展[J].有色金属科学与工程,2021,12(01):1-7.

[4]路雨禾,王伟,路殿坤,谢锋.电解沉积用尺寸稳定型钛阳极的研究现状[J].有色金属(冶炼部分),2020(11):18-24.

[5]刘钰如,王欣,唐电.嵌入二氧化锡纳米晶对热分解制备钌锡氧化物复合涂层钛阳极形貌结构和电化学性能的影响[J].电镀与涂饰,2020,39(17):1194-1200.

[6]张倩倩,王三反,赵小云.多元钌系涂层钛阳极处理有机废水研究进展[J].应用化工,2020,49(03):705-708+714.