氧化電解水電極材料制備及電催化性能研究

【摘要】：氧化電解水是一種高效、環(huán)保的殺菌劑,在醫(yī)療衛(wèi)生、食品安全和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面有著廣泛的應(yīng)用。但是目前關(guān)于氧化電解水制備的研究較少,且多數(shù)為簡單制備工藝參數(shù)的研究,缺少對關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā),而我們認(rèn)為電催化材料本身電化學(xué)性質(zhì)的研究才是最為重要的。在氧化電解水制備過程中,除了析氯反應(yīng)外,還有大量的析氧反應(yīng)發(fā)生,如何調(diào)配兩者之間的反應(yīng)速度,提高電解效率,得到殺菌效率最優(yōu)的氧化電解水,這些都取決于對電極材料的研究。另外,除了提高陽極反應(yīng)效率之外,還要提高陰極析氫反應(yīng)活性。針對以上問題,本文進(jìn)行了如下研究。1.本文采用熱分解法制備RuO2-SnO2氧化物合金電極。通過XRD表征可以看出其晶型為典型的金紅石型結(jié)構(gòu),進(jìn)一步通過循環(huán)伏安(CV)表征證明其表面為典型的RuO2電化學(xué)特征,沒有SnO2電化學(xué)特征。在此基礎(chǔ)上,利用線性伏安(LSV)技術(shù)分別考察了RuO2-SnO2的析氯極化曲線和析氧極化曲線,研究表明電流密度為70mA/cm2時,RuO2-SnO2電極的析氯析氧電勢差為368mV,而RuO2為278mV,提高了析氯反應(yīng)選擇性。在此基礎(chǔ)上,對RuO2-SnO2電極在實際制備氧化電解水過程中的電解效率,有效氯含量、次氯酸含量及強化試驗壽命進(jìn)行了考察。結(jié)果表明,RuO2-SnO2電極比RuO2電極氯離子電解效率提高了11.34%,有效氯含量提高了35.57%,次氯酸含量提高了33.62%,電極強化試驗壽命提高了2.5倍。最后,通過SEM表征和電化學(xué)孔隙率的計算,表明RuO2-SnO2電極表面較平整,內(nèi)部孔隙率大,所以使電解液不容易滲透到電極內(nèi)部,而使電極的耐腐蝕性和使用壽命都將得到提高。2.采用熱分解法制備IrO2-TiO2不同比例以及不同溫度復(fù)合氧化物,通過XRD表征可以看出其晶型為典型的金紅石型結(jié)構(gòu),SEM表征表明隨著IrO2含量的增加以及溫度升高,粒徑逐漸減小,團(tuán)聚程度減輕。通過循環(huán)伏安表征可知,與IrO2表面電量相比,TiO2的加入使循環(huán)伏安電量有明顯的提高,當(dāng)TiO2摩爾分?jǐn)?shù)為12.5%時,循環(huán)伏安電量最大。不同比例電極材料的析氫活性隨著TiO2含量的增加,呈先增加后減小的趨勢,其最優(yōu)比例為14%,表觀析氫電流為43.38 mA/cm2。另外,隨著溫度的升高,循環(huán)伏安電量逐漸降低,這是因為隨著制備溫度的升高,電極表面晶粒不斷團(tuán)聚長大,致使電極表面的活性位點不斷減少。但是溫度升高,有利于兩組分之間更好合金化,研究表明,當(dāng)制備溫度為550℃時,析氫活性最好,表觀析氫電流為43.38mA/cm2。另外,通過1000segments循環(huán)伏安掃描前后析氫電流的對比,證明IrO2-TiO2析氫穩(wěn)定性很好。3.利用熱分解法制備IrO2-FexOy不同比例二元氧化物,通過XRD表征表明其主要為IrO2金紅石型結(jié)構(gòu),并沒有表現(xiàn)出Fe氧化物的特征,說明Fe的氧化物較為均勻分散到IrO2中,結(jié)晶度較差。SEM表征表明從圖中可以看出,不同比例IrO2-FexOy的粒徑相差不大,基本在200-500nm。但是當(dāng)FexOy含量較高時,顆粒之間團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重;當(dāng)FexOy含量減少到10-20%時,團(tuán)聚現(xiàn)象得到明顯改善。通過對其析氫活性考察,結(jié)果表明在FexOy含量為10%時,析氫電流最大,達(dá)到70.71 mA/cm2,是IrO2的11.2倍,并具有較高的析氫穩(wěn)定性。通過對其析氯和析氧活性考察表明IrO2-FexOy二元氧化物在Ir-Fe摩爾比為9:1時,在pH=1的4mol/L的NaCl溶液中的,析氯電流為為233mA/cm2,比同等條件下的Ir O2高出了14.6%,但其析氧電流也相應(yīng)增加,是IrO2的1.6倍,所以其在析氯反應(yīng)選擇性上提高并不明顯。但我們同時注意到該種電極材料對氧析出活性的提高,有助于使其成為一個優(yōu)良的氧析出電極材料。 【關(guān)鍵詞】：氧化電解水 二元復(fù)合氧化物電極 析氯反應(yīng) 析氧反應(yīng) 析氫反應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：武漢輕工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O646.54
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第1章 緒論13-18
• 1.1 研究目的和意義13
• 1.2 氧化電解水國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-15
• 1.3 電解水析氫與析氯原理15-16
• 1.3.1 析氫機理15
• 1.3.2 析氯機理15-16
• 1.4 電解水陰極材料和陽極材料的研究16-17
• 1.4.1 陰極材料的選擇16
• 1.4.2 陽極材料的選擇16-17
• 1.5 本課題的研究內(nèi)容17-18
• 第2章 RuO_2-SnO_2二元氧化物制備及電催化活性18-31
• 2.1 引言18-19
• 2.2 實驗部分19-21
• 2.2.1 實驗試劑19-20
• 2.2.2 實驗儀器20
• 2.2.3 RuO_2-SnO_2/Ti的制備20
• 2.2.4 催化劑的電化學(xué)表征20-21
• 2.2.5 催化劑物理表征21
• 2.2.6 電極強化壽命試驗21
• 2.3 結(jié)果與討論21-30
• 2.3.1 結(jié)構(gòu)和組成分析21-22
• 2.3.2 形貌分析22-23
• 2.3.3 孔隙率的測定23-24
• 2.3.4 相對粗糙度的表征24-25
• 2.3.5 循環(huán)伏安（CV）表征25-26
• 2.3.6 析氯和析氧活性26
• 2.3.7 塔菲爾曲線與反應(yīng)級數(shù)26-28
• 2.3.8 析氯反應(yīng)機理28-30
• 2.3.9 電極強化壽命測試分析30
• 2.4 本章小結(jié)30-31
• 第3章 IrO_2-TiO-2二元氧化物制備及電催化活性31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 實驗部分31-35
• 3.2.1 實驗試劑31-32
• 3.2.2 實驗儀器32
• 3.2.3 IrO_2-TiO-2粉體的制備32
• 3.2.4 玻碳電極涂層制備32-33
• 3.2.5 電化學(xué)表征33-34
• 3.2.6 X-射線衍射（X-ray Diffraction，XRD）表征34
• 3.2.7 掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope）SEM表征34-35
• 3.3 實驗結(jié)果與討論35-43
• 3.3.1 XRD表征35
• 3.3.2 SEM表征35-37
• 3.3.3 不同摩爾分?jǐn)?shù)的IrO_2-TiO-2復(fù)合氧化物的電化學(xué)表征37-40
• 3.3.4 不同溫度下IrO_2-TiO-2二元氧化物的電化學(xué)表征40-43
• 3.4 本章小節(jié)43-45
• 第4章 IrO_2-FexOy二元氧化物電化學(xué)性能研究45-58
• 4.1 引言45
• 4.2 實驗部分45-49
• 4.2.1 實驗試劑45-46
• 4.2.2 實驗儀器46
• 4.2.3 IrO_2-FexOy二元氧化物催化劑的制備46
• 4.2.4 催化劑粉體墨水的制備46-47
• 4.2.5 鈦板涂層電極的制備47
• 4.2.6 玻碳電極涂層的制備47
• 4.2.7 催化劑的電化學(xué)表征47-48
• 4.2.8 X-射線衍射（X-ray Diffraction，XRD）表征48
• 4.2.9 掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope）SEM表征48-49
• 4.3 實驗結(jié)果與討論49-57
• 4.3.1 XRD表征49
• 4.3.2 SEM表征49-50
• 4.3.3 IrO_2的電化學(xué)表征和氫析出活性50-51
• 4.3.4 不同比例IrO_2-FexOy的電化學(xué)表征51-52
• 4.3.5 不同比例IrO_2-Fex Oy的氫析出活性52-54
• 4.3.6 IrO_2氯析出活性和氧析出活性54-55
• 4.3.7 不同比例IrO_2-FexOy氯析出活性55-56
• 4.3.8 不同比例IrO_2-FexOy氧析出活性56-57
• 4.4 本章小節(jié)57-58
• 第5章 RuO_2-SnO_2二元氧化物電極對氧化電解水制備的影響58-68
• 5.1 引言58
• 5.2 實驗部分58-61
• 5.2.1 實驗試劑58-59
• 5.2.2 實驗儀器59
• 5.2.3 RuO_2-SnO_2/Ti的制備59
• 5.2.4 流動電解池測試參數(shù)與操作方法59-60
• 5.2.5 有效氯的測定方法60-61
• 5.2.6 次氯酸與次氯酸根含量測定61
• 5.2.7 氯離子含量測定61
• 5.3 結(jié)果與討論61-66
• 5.3.1 有效氯含量的測定61-63
• 5.3.2 氯離子電解效率63-64
• 5.3.3 氧化電解水中次氯酸含量測定64
• 5.3.4 氧化電解水不同有效氯（ACC）含量對應(yīng)的次氯酸含量比較64-65
• 5.3.5 氧化電解水的氧化還原電位（ORP）測定65-66
• 5.3.6 氧化電解水酸度（pH）的測定66
• 5.4 本章小節(jié)66-68
• 第6章 結(jié)論與展望68-70
• 6.1 結(jié)論68-69
• 6.2 展望69-70
• 參考文獻(xiàn)70-76
• 致謝76-77
• 攻讀學(xué)位期間的研究成果77

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