氧化电解水电极材料制备及电催化性能研究

【摘要】：氧化电解水是一种高效、环保的杀菌剂,在医疗卫生、食品安全和农业生产方面有着广泛的应用。但是目前关于氧化电解水制备的研究较少,且多数为简单制备工艺参数的研究,缺少对关键技术的研究与开发,而我们认为电催化材料本身电化学性质的研究才是最为重要的。在氧化电解水制备过程中,除了析氯反应外,还有大量的析氧反应发生,如何调配两者之间的反应速度,提高电解效率,得到杀菌效率最优的氧化电解水,这些都取决于对电极材料的研究。另外,除了提高阳极反应效率之外,还要提高阴极析氢反应活性。针对以上问题,本文进行了如下研究。1.本文采用热分解法制备RuO2-SnO2氧化物合金电极。通过XRD表征可以看出其晶型为典型的金红石型结构,进一步通过循环伏安(CV)表征证明其表面为典型的RuO2电化学特征,没有SnO2电化学特征。在此基础上,利用线性伏安(LSV)技术分别考察了RuO2-SnO2的析氯极化曲线和析氧极化曲线,研究表明电流密度为70mA/cm2时,RuO2-SnO2电极的析氯析氧电势差为368mV,而RuO2为278mV,提高了析氯反应选择性。在此基础上,对RuO2-SnO2电极在实际制备氧化电解水过程中的电解效率,有效氯含量、次氯酸含量及强化试验寿命进行了考察。结果表明,RuO2-SnO2电极比RuO2电极氯离子电解效率提高了11.34%,有效氯含量提高了35.57%,次氯酸含量提高了33.62%,电极强化试验寿命提高了2.5倍。最后,通过SEM表征和电化学孔隙率的计算,表明RuO2-SnO2电极表面较平整,内部孔隙率大,所以使电解液不容易渗透到电极内部,而使电极的耐腐蚀性和使用寿命都将得到提高。2.采用热分解法制备IrO2-TiO2不同比例以及不同温度复合氧化物,通过XRD表征可以看出其晶型为典型的金红石型结构,SEM表征表明随着IrO2含量的增加以及温度升高,粒径逐渐减小,团聚程度减轻。通过循环伏安表征可知,与IrO2表面电量相比,TiO2的加入使循环伏安电量有明显的提高,当TiO2摩尔分数为12.5%时,循环伏安电量最大。不同比例电极材料的析氢活性随着TiO2含量的增加,呈先增加后减小的趋势,其最优比例为14%,表观析氢电流为43.38 mA/cm2。另外,随着温度的升高,循环伏安电量逐渐降低,这是因为随着制备温度的升高,电极表面晶粒不断团聚长大,致使电极表面的活性位点不断减少。但是温度升高,有利于两组分之间更好合金化,研究表明,当制备温度为550℃时,析氢活性最好,表观析氢电流为43.38mA/cm2。另外,通过1000segments循环伏安扫描前后析氢电流的对比,证明IrO2-TiO2析氢稳定性很好。3.利用热分解法制备IrO2-FexOy不同比例二元氧化物,通过XRD表征表明其主要为IrO2金红石型结构,并没有表现出Fe氧化物的特征,说明Fe的氧化物较为均匀分散到IrO2中,结晶度较差。SEM表征表明从图中可以看出,不同比例IrO2-FexOy的粒径相差不大,基本在200-500nm。但是当FexOy含量较高时,颗粒之间团聚现象严重;当FexOy含量减少到10-20%时,团聚现象得到明显改善。通过对其析氢活性考察,结果表明在FexOy含量为10%时,析氢电流最大,达到70.71 mA/cm2,是IrO2的11.2倍,并具有较高的析氢稳定性。通过对其析氯和析氧活性考察表明IrO2-FexOy二元氧化物在Ir-Fe摩尔比为9:1时,在pH=1的4mol/L的NaCl溶液中的,析氯电流为为233mA/cm2,比同等条件下的Ir O2高出了14.6%,但其析氧电流也相应增加,是IrO2的1.6倍,所以其在析氯反应选择性上提高并不明显。但我们同时注意到该种电极材料对氧析出活性的提高,有助于使其成为一个优良的氧析出电极材料。 【关键词】：氧化电解水 二元复合氧化物电极 析氯反应 析氧反应 析氢反应
【学位授予单位】：武汉轻工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O646.54
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第1章 绪论13-18
• 1.1 研究目的和意义13
• 1.2 氧化电解水国内外研究现状13-15
• 1.3 电解水析氢与析氯原理15-16
• 1.3.1 析氢机理15
• 1.3.2 析氯机理15-16
• 1.4 电解水阴极材料和阳极材料的研究16-17
• 1.4.1 阴极材料的选择16
• 1.4.2 阳极材料的选择16-17
• 1.5 本课题的研究内容17-18
• 第2章 RuO_2-SnO_2二元氧化物制备及电催化活性18-31
• 2.1 引言18-19
• 2.2 实验部分19-21
• 2.2.1 实验试剂19-20
• 2.2.2 实验仪器20
• 2.2.3 RuO_2-SnO_2/Ti的制备20
• 2.2.4 催化剂的电化学表征20-21
• 2.2.5 催化剂物理表征21
• 2.2.6 电极强化寿命试验21
• 2.3 结果与讨论21-30
• 2.3.1 结构和组成分析21-22
• 2.3.2 形貌分析22-23
• 2.3.3 孔隙率的测定23-24
• 2.3.4 相对粗糙度的表征24-25
• 2.3.5 循环伏安（CV）表征25-26
• 2.3.6 析氯和析氧活性26
• 2.3.7 塔菲尔曲线与反应级数26-28
• 2.3.8 析氯反应机理28-30
• 2.3.9 电极强化寿命测试分析30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 IrO_2-TiO-2二元氧化物制备及电催化活性31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 实验部分31-35
• 3.2.1 实验试剂31-32
• 3.2.2 实验仪器32
• 3.2.3 IrO_2-TiO-2粉体的制备32
• 3.2.4 玻碳电极涂层制备32-33
• 3.2.5 电化学表征33-34
• 3.2.6 X-射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）表征34
• 3.2.7 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope）SEM表征34-35
• 3.3 实验结果与讨论35-43
• 3.3.1 XRD表征35
• 3.3.2 SEM表征35-37
• 3.3.3 不同摩尔分数的IrO_2-TiO-2复合氧化物的电化学表征37-40
• 3.3.4 不同温度下IrO_2-TiO-2二元氧化物的电化学表征40-43
• 3.4 本章小节43-45
• 第4章 IrO_2-FexOy二元氧化物电化学性能研究45-58
• 4.1 引言45
• 4.2 实验部分45-49
• 4.2.1 实验试剂45-46
• 4.2.2 实验仪器46
• 4.2.3 IrO_2-FexOy二元氧化物催化剂的制备46
• 4.2.4 催化剂粉体墨水的制备46-47
• 4.2.5 钛板涂层电极的制备47
• 4.2.6 玻碳电极涂层的制备47
• 4.2.7 催化剂的电化学表征47-48
• 4.2.8 X-射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）表征48
• 4.2.9 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope）SEM表征48-49
• 4.3 实验结果与讨论49-57
• 4.3.1 XRD表征49
• 4.3.2 SEM表征49-50
• 4.3.3 IrO_2的电化学表征和氢析出活性50-51
• 4.3.4 不同比例IrO_2-FexOy的电化学表征51-52
• 4.3.5 不同比例IrO_2-Fex Oy的氢析出活性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 本章小节57-58
• 第5章 RuO_2-SnO_2二元氧化物电极对氧化电解水制备的影响58-68
• 5.1 引言58
• 5.2 实验部分58-61
• 5.2.1 实验试剂58-59
• 5.2.2 实验仪器59
• 5.2.3 RuO_2-SnO_2/Ti的制备59
• 5.2.4 流动电解池测试参数与操作方法59-60
• 5.2.5 有效氯的测定方法60-61
• 5.2.6 次氯酸与次氯酸根含量测定61
• 5.2.7 氯离子含量测定61
• 5.3 结果与讨论61-66
• 5.3.1 有效氯含量的测定61-63
• 5.3.2 氯离子电解效率63-64
• 5.3.3 氧化电解水中次氯酸含量测定64
• 5.3.4 氧化电解水不同有效氯（ACC）含量对应的次氯酸含量比较64-65
• 5.3.5 氧化电解水的氧化还原电位（ORP）测定65-66
• 5.3.6 氧化电解水酸度（pH）的测定66
• 5.4 本章小节66-68
• 第6章 结论与展望68-70
• 6.1 结论68-69
• 6.2 展望69-70
• 参考文献70-76
• 致谢76-77
• 攻读学位期间的研究成果77

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

－ｚＦψ~与电极反应Δ_ｒＧ_ｍ~的关系    上官荣昌,葛欣;

应用电极反应分析有关电解问题    赵李增

《电极过程简明教程》    

《电极过程简明教程》    

关于原电池和电解池电极名称的确定    袁宗选;

对一些教材中电解水的电极反应的质疑    李自弘，屈菲菲

膜覆盖电极电化学浅析    宋光铃

以称重法研究銀电极的电极行为    章庆权,淳于宝珠,徐国宪

碳毡电极研究(Ⅰ)——碳毡电极的特征密度    沈浩;吴建华;叶蕾;

电极反应的量子力学研究    庄志萍;赵伟;

计算机曲线拟合求解空气电极动力学反应参数    张建民;

镓酸镧基电解质的电导特性及其对相应电极的影响    梁营;王世忠;

生物亲和电极的识别分析研究    刘军

基于多电子反应的储锂电极材料    陈重学

氧化电解水电极材料制备及电催化性能研究    李文阳

Ti/SnO_2+Sb_2O_3/RuO_2+PbO_2电极的制备和性能研究    王鹏

新型电极的制作、改性及其在分析检测中的应用研究    朱加燮

电极面积对电化学噪声的影响    张骏凯

空气电极的性能及应用    李玉杰

Ti/SnO_2-Sb_2O_4电极的制备及性能研究    苗海霞

新型碳基电极的制备及在电分析中的应用    王彩娟

二氧化铅电极的修饰改性及其电催化性能的研究    李书东

二氧化硅改性的二氧化铱电极电化学行为研究    张佳佳

流化床电极电解低浓度硫酸铜溶液的研究    王亮