H2SO4溶液中,RuO2-TiO2电极失效过程的俄歇电子能谱研究

对于Ti基RuO₂-TiO₂涂层形稳阳极(DSA,dimen.sionally stable anode)的失效原因,虽然进行过不少研究,但往往着重在电极电位发生突变,即电极失效后期;缺少对电极失效过程中电极性能的演变进行研究。我们在电化学方法研究基础上进一步采用俄歇电子能谱技术(AES),对寿命试验过程中不同电解时间的DSA电极的表面成份和纵向的元素分布进行了研究。     

Ti基IrO2＋Ta2O5阳极在H2SO4溶液中的电解时效行为

研究了450 ℃制备所得Ti/70％IrO2 30％Ta2O5（摩尔分数）高寿命阳极在H2SO4溶液电解过程中电极的物理、化学及电化学性能的时效行为.结果发现，整个电解过程可分为“活化”、“稳定”及“失效”三个阶段.在“活化”及“稳定”区内主要发生电极表面活性氧化物的溶解，涂层中IrO2金红石相的（110）、（101）晶面择优取向随电解时间延长而减弱，而（002）晶面择优增强.但是在“失效区”内，各晶面的择优程度却不随电解时间的变化而变化，这表明在“失效区”内氧化物的损失机制发生了变化.电化学阻抗谱测试表明，电极的析氧电化学反应电阻随电解时间的延长发生缓慢而连续的上升，而整个电极的物理阻抗在“失效区”内却发生突升现象.X射线衍射分析（XRD）表明，随电解时间的延长TiO2金红石相的衍射强度增大，达“失效区”时衍射强度发生突升.根据实验现象特别是“失效区”内阳极的时效行为提出高寿命Ti基氧化物涂层阳极的失效机制.     

电解制备二氧化锰强酸性电解液中气体扩散电极的稳定性与失效行为

采用气体扩散电极(GDE)代替传统析氢阴极电解制备二氧化锰(EMD),重点研究了气体扩散电极在强酸性MnSO4-H2SO4电解液中的稳定性、寿命及失效行为.结果表明:气体扩散电极在MnSO4-H2SO4电解液中重现性好、具有一定的稳定性,寿命可达400 h;平行实验表明,阳极沉积一定厚度的EMD是槽电压第一次升高的主要原因;电流密度为100 A m-2时,气体扩散电极失效前阴极过程的速度由氧的离子化反应和氧的扩散混合控制,失效后阴极过程由氧去极化和氢去极化共同组成,主要发生析氢反应;催化层聚四氟乙烯(PTFE)网络结构的破坏和镍网层的溶解是电极失效的原因之一;Pt的团聚降低了电极的电催化活性,是电极失效的主要原因;阴极失效是槽电压再次升高的主要原因.     

PbO2/Sb-SnO2/TiO2纳米管阵列电极电化学氧化降解罗丹明B

罗丹明B(RhB)在印染废水中广泛存在,具有难降解和易积累等特点,严重威胁生态系统和人类健康,因此寻找一种高效、清洁、经济的处理方法引起人们的广泛关注.电化学氧化法因其操作简单、环境友好等特点而广泛应用于难处理废水或有毒废水的降解,但过多的能源消耗限制了其进一步应用.在电化学氧化过程中,电极材料的选择是影响电催化性能的重要因素之一,目前的电极材料主要有硼掺杂金刚石电极、IrO_2电极、Ru O_2电极和PbO_2电极等.在这些电极材料中,PbO_2电极因价格低廉、导电性良好、化学稳定性好及析氧电位高等优点而成为具有潜力的电极材料之一.近年来,为了提高PbO_2电极的电催化活性和稳定性,研究者对其进行了一系列掺杂改性,如Cu, Bi, Ce, Fe和F等金属或非金属掺杂,以及与TiO_2, SnO_2, ZrO_2, Co3O4和TiN等其他化合物复合等.相比于传统的PbO_2电极基底Ti, TiO_2纳米管阵列具有高度有序、垂直取向、表面积大及亲水性良好等优势,这些特性可使其成为一个更好的载体,关于其做基底负载电催化活性层的研究引起了人们的广泛关注.本文以TiO_2纳米管阵列作为基体,通过微波法沉积Sb-SnO_2中间层,电沉积法沉积PbO_2b表层(含α-PbO_2内层和β-PbO_2外层),制得一种复合DSA阳极材料,并将其用于处理Rh B废水.通过扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射(XRD)和电化学测试等手段对该复合电极进行了表征,系统探讨了RhB初始浓度、电流密度、pH值、温度和氯离子浓度等因素对电化学氧化降解过程的影响,并对电极稳定性及Rh B降解机理进行了深入研究.SEM和XRD结果表明, PbO_2/Sb-SnO_2/TiO_2纳米管阵列电极表面涂层覆盖紧密,电化学测试结果表明该电极寿命达815h.RhB电化学氧化实验结果发现, RhB降解过程遵循准一级动力学模型,且高的电流密度、中性环境、低温和氯离子的添加均有利于其降解,但电流密度过高以及人工降温均会造成能耗过大,而氯离子的加入会带来潜在的二次污染,故在实际应用中需根据实际情况进行调节.此外,通过系统研究不同参数的影响,发现该复合电极对外界环境具有较强的适应性及催化能力,而降解机理的提出有利于我们更好地研究降解过程中变化.综上可知,该复合电极较强的稳定性及催化活性使其在电化学氧化降解废水中具有较大潜在应用前景.     

DSA电极电催化性能研究及尚待深入探究的几个问题

钛基氧化物涂层电极(DSA^®)由于其对阳极析氯、阳极析氧、有机污染物电化学降解等具有优异的电催化活性而受到研究者的广泛关注,但DSA电极电催化现象背后的一些重要而基础性的问题仍未被人们完全认识。本文针对目前国内外有关DSA电极电催化研究领域中的几个研究热点、不足之处、以及尚待深入探究的问题,进行了简要介绍、分析和讨论。DSA电极的电催化活性主要是来自于其表面的金属氧化物涂层。本文强调对“氧化物涂层”自身固体物理-化学性能或过程的研究,有助于深入揭示钛基活性氧化物涂层电极电催化现象的微观作用机制和内在本质,并反过来指导人们更加理性地通过设计和优化DSA电极的制备方法和条件,调控表面氧化物涂层的化学组成与结构,进而达到增强钛基涂层电极电催化活性之目的。     

热分解法制备电解煤浆用阳极及其电催化活性

采用热分解法制备了一元、二元贵金属形稳阳极(DSA),并用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、能量散射X射线谱(EDS)等测试技术对所制备电极的表面形貌、成分组成等进行分析表征;在煤浆电解过程中,采用两电极体系,对所制备电极的电催化活性进行了测试。结果表明,催化涂层中Ru、Ir主要以氧化物或合金的形式存在,而Pt主要以金属单质或合金的形式存在,用所制备的电极作为阳极,电解煤浆10h以后,电流大小和气体的生成速率比较稳定,在整个电解过程中,H2气的电解效率一直接近100%,而此时阳极产物的电解效率为40%左右。与Ti/Pt电极相比,电极的催化活性均有较大的提高,其中Ti/Pt-RuO2(1∶1)和Ti/Pt-IrO2(1∶1)电极的活性最好。     

IrO2-SnO2上氧析出机理

本文研究IrO_2-SnO_2电极上氧析出过程的动力学和机理.实验得到,在所研究的电极上氧析出极化曲线的Tafel斜率约为75mV,H~+的反应级数为-0.75.此外,XPS结果证明研究电极表面Ir以+4价存在.根据实验结果提出IrO_2-SnO_2电极上氧析出过程的机理为:IrO_2+H_2O→IrO_2-OH+H~++cIrO_2-OH(?)IrO_2-O~-+(H~+)_sIrO_2-O~-(?)IrO_2-O+c2(IrO_2-O)(?)2IrO_2+O_2其中第一步为反应速度步骤(r.d.s.),(H~+)_s表示电极表面上的吸附质子。     

丁二酸在Ti/TiO2膜电极上的电化学合成

在包含原料马来酸的硫酸溶液中, 通过原位阳极氧化法制备了Ti/TiO2膜电极, 然后采用极性转换技术在原溶液中电化学合成丁二酸. 采用XPS, XRD和SEM分析了膜电极上的元素组成、价态分布和氧化膜的晶相结构及表面形貌. 结果表明, 阳极氧化膜层内只含有Ti和O两种元素, 且Ti均为Ti4+; TiO2氧化膜是金红石相, 表观呈现带孔的条纹形貌. 通过循环伏安、恒电位阶跃和恒电流电解技术研究了Ti/TiO2原位氧化膜电极的电化学性质, 结果表明, 该膜电极对马来酸电还原合成丁二酸具有较好的电催化活性. 以钛基氧化钌电极(DSA)为阳极, Ti/TiO2原位氧化膜电极为阴极进行恒电流电解了实验. 结果表明, 丁二酸的还原产率为95.94%, 电流效率为95.57%, 产物纯度为99.28%, 熔点为185~187 ℃.     

Co(OH)_2和Ni粉对氢氧化镍电极性能的影响

采用三角波电位扫描、X射线衍射及恒流充放电曲线法研究了在氢氧化镍电极中添加Co( OH) 2 和 Ni粉后对电极性能的影响 .结果表明 ,氢氧化镍电极中加入质量分数为 8% Co( OH) 2和 13% Ni粉时 ,电极的放电容量最高 ,电极在充放电循环过程中的膨胀最小 .     

SbOx+SnO2中间层对Ti/MnO2电极性能的影响

采用热分解方法制备了含SbO_x+SnO₂中间层的钛基二氧化锰电极. 在0.5 mol·L^-1 H₂SO₄溶液中对添加和没有添加SbO_x+SnO₂中间层的二氧化锰阳极进行了加速电解试验. 采用极化曲线和循环伏安曲线测量电极的析氯反应. 用循环伏安曲线和电化学阻抗谱来分析电极电解过程中内部结构和表面的变化. 结果表明, 二氧化锰阳极钝化失效的主要原因是绝缘的TiO₂层的生成和变厚. 引入中间层可以降低钛基体和活性涂层间的电阻, 并且在电解过程中, 可以显著延缓接触电阻的升高, 从而可以显著提高其寿命.     

TiO2-WO3负载硅钨酸盐聚苯胺膜电极的电化学行为及电催化性能研究

用循环伏安法制备了金属氧化物(TiO2-WO3)负载硅钨酸盐聚苯胺膜修饰玻碳电极(PAn/SiW12/TiO2-WO3/GC),优化了聚合条件,并对该化学修饰电极的电化学行为,包括溶液pH值的影响和电极的稳定性等进行了研究。研究结果表明,此修饰电极聚合物膜不但保持了该杂多酸的电化学活性和电催化性能,又具有良好的稳定性。在0.5 mol/LH2SO4溶液中,该膜电极中的SiW12的第2个还原峰对BrO3-有很好电催化活性,催化过程符合EC平行催化机理。     

RuO2电极的析氧活性研究

本文用XPS, UPS和电化学方法研究了RuO2电极的活怀中心组成及其在电解过程中的变化。结果表明, RuO2电极的活性中心为氧结构空位。在电解过程中,表层的氧结构空位不断减少, 由于RuO2电极析氧反应区域不断扩展和深入, 又暴露出新的氧结构空位, 但电极外表面的氧结构空位对电极析氧活性影响较大, 外表面氧结构空位为RuO2电极有效的活性中心。此外, 电极的腐蚀和剥落也是导致活性降低的原因之一。     

Fe修饰多壁碳纳米管电极高效产H2O2

为提高电芬顿(Electro-Fenton)体系H2O2的产率, 制备了多壁碳纳米管(MWNT)电极, 并与石墨/气体扩散(GDC)电极进行了比较. 结果表明, MWNT电极H2O2产率高于GDC电极. 采用电沉积方法, 制备了Fe修饰MWNT(Fe-MWNT)电极, 发现Fe对MWNT电极的修饰不仅可以提高体系的H2O2产率, 而且电流效率可以提高8%左右, 与GDC电极的电流效率接近. Fe-MWNT电极有望成为一种新型的阴极材料应用于Electro-Fenton体系中.     

三维有序结构的金掺杂纳米TiO_2修饰电极用于H_2O_2的测定

在ITO玻璃表面构建了三维有序多孔结构的金掺杂纳米Ti O2薄膜(3DOM GTD/ITO),同时制备了一种细胞色素c(Cyt c)酶生物传感器(Cyt c/3DOM GTD/ITO)。通过透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)对修饰电极进行表征。紫外-可见光谱实验表明吸附在GTD上的Cyt c能够保持其生物活性,二级结构未被破坏。同时研究了Cyt c在3DOM GTD/ITO修饰电极表面的直接电化学及对H2O2的电催化行为。结果显示,Cyt c在3DOM GTD/ITO修饰电极上有显著的直接电化学响应,峰电流与扫描速度呈线性关系,说明该电极过程是表面电化学控制过程。Cyt c/3DOM GTD/ITO修饰电极对H2O2具有良好的催化性能,线性范围为3.0×10-7~1.70×10-5mol/L,检出限为3.6×10-8mol/L(S/N=3),响应时间为5 s,且该修饰电极具有较好的重现性和稳定性。     

温度对掺杂球形Ni(OH)_2质子扩散的影响

应用微电极恒电位阶跃法研究了在Ni(OH) 2 电极的阳极及阴极过程反应中 ,温度对球形Ni(OH) 2 的质子扩散系数和表观扩散活化能的影响 .研究表明 ,于Ni(OH) 2 中掺杂Co和Co +Zn后可降低其阳极和阴极过程的表观扩散活化能 ,增大质子扩散系数 ,掺Co的效果更加明显 ,而掺Zn则增大表观扩散活化能 ,降低了扩散系数 .这说明前者的掺入其作用是降低了质子扩散阻力使电极的反应活性增加、而后者的掺入则是增大了质子的扩散阻力而使电极反应活性降低 .     

刷涂热分解法制备Ti/SnO2-Sb2O5阳极及其性能

通过刷涂热分解法制备了锑掺杂的钛基二氧化锡(Ti/SnO2-Sb2O5)涂层电极.在酸性介质中,用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、循环伏安和快速寿命测试等方法研究了Ti/SnO2-Sb2O5电极制备条件、电极结构、性能和寿命.结果表明,TFSnO2-Sb2O5电极涂层具有"干泥"结构,用锡锑摩尔比为9:1的涂液组成、在550℃烧结温度下制备的Ti/SnO2-Sb2O5的电极涂层平整致密,龟裂小,电极孔隙率小,稳定性最好.     

纳米六氰合铁酸铜化学修饰丝网印刷电极对H2O2 电催化性能的研究

采用TiO2溶胶-凝胶法在丝网印刷电极上制备了纳米六氰合铁酸铜修饰电极。研究了修饰电极的电化学性质。该电极对H2O2的电氧化过程有明显的催化作用。电流密度较常规六氰合铁酸铜化学修饰电极提高约3倍。通过测量该氧化电流可以对1.0×10-6~6×10-5mol/L H2O2进行测定。     

静电纺丝法制备La_2CuO_4纳米管阴极材料及其电化学性质研究

采用静电纺丝法制备了一维管状中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)阴极材料La2CuO4。利用XRD、TG-DTA、FT-IR和SEM对材料的结构和微观形貌进行分析。研究表明,700℃烧结2 h得到平均直径150纳米、形貌均一的La2CuO4纳米管。900℃烧结0.5 h得到纳米管间连接充分并与电解质紧密接触的纤维电极。利用交流阻抗技术对电极的性能进行研究发现,La2CuO4纳米管阴极材料具有比粉体材料更优越的电极性能。纳米管阴极在700℃的极化电阻为1.03Ω·cm2,而同一组成粉体电极的极化电阻为1.61Ω·cm2;氧分压测试结果显示纳米管电极反应的速率控制步骤为电荷转移过程。     

Na2CO3对TiO2纳米管电极表面光电化学水分解反应的催化作用研究

光生载流子在半导体/溶液界面处发生的表面复合过程,是制约半导体光电极体系光-电转化效率提高的关键因素之一.本文利用光电流测量和交流阻抗等技术,初步研究了Na2CO3对TiO2纳米管电极表面光电化学水分解反应的催化作用,并对"TiO2/溶液"界面处与阳极析氧有关的光生电荷传输过程及特点进行了探讨.结果表明,在0.5 mol.L-1NaClO4溶液中加入少量的Na2CO3(1mmol.L-1),能够显著促进光生空穴穿过TiO2/溶液界面向溶液中的传输,有效地抑制光生载流子的表面复合过程,从而相应地增大了外电路的光电流,并使TiO2光电极体系的光-电转化效率得到提高.     

离子液体中纳米TiO2/聚3-甲基噻吩复合膜的制备及性质研究

采用溶胶凝胶法制成了纳米TiO2电极,在离子液体中将其应用于3-甲基噻吩的电化学聚合,采用循环伏安法(CV),在线紫外可见光谱(UV-Vis),扫描电镜(SEM)和电化学阻抗谱(EIS)对TiO2/聚3-甲基噻吩(TiO2/PMT)复合膜进行了表征并研究了其电化学性质.实验证明,不论是用循环伏安法,恒电位,还是恒电流方法,都能在电极上得到聚3-甲基噻吩(PMT)膜,并伴随有明显的掺杂和去掺杂过程.对应的在线紫外可见光谱上,也出现了氧化和还原两种不同的吸收状态,还原(去掺杂)过程中在480 nm处有一个吸收峰,而氧化(掺杂)过程中此峰消失,取而代之的是一个可见光区的逐渐增强的吸收.PMT膜是P型半导体,TiO2是n型半导体,两者之间能够形成p-n异质结,使光电转换效率得以提高.SEM给出了TiO2电极和聚合物修饰的TiO2的形貌图,电极的交流阻抗谱则从一个角度说明了聚合物膜修饰电极的导电性.