CN102043004B - 一种高析氧电位长寿命的PbO2电极的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高析氧电位长寿命的PbO₂电极及制备方法，该方法是采用电化学阳极化的方法，在Ti板上预生长一层直立有序的TiO₂-NTs纳米管作为中间层，然后在含有氟高分子的硝酸铅溶液中电沉积PbO₂，制备出F-PbO₂/TiO₂-NTs/Ti电极。与传统PbO₂电极相比，该电极的析氧电位高达2.4V以上，使用寿命20年以上。

Description

一种高析氧电位长寿命的PbO2电极的制备方法

技术领域

本发明涉及属于材料化学领域和电化学方法技术领域，涉及一种高析氧电位长寿命的PbO₂电极材料及制备方法。 

背景技术

PbO₂电极是研究较为广泛的一种阳极材料，其具有成本低廉，材料易得，制作工艺也比较简便，且具有高析氧电位和高催化活性。但是由于PbO₂与基体的结合性能较差，且Pb具有毒性，所以这些不足就限制了PbO₂电极的应用。为了克服这些不足，一些研究者将氟离子掺杂到PbO₂中，研究发现氟离子的掺杂限制了PbO₂水化层中自由氧原子的***，减少其向阳极内部的扩散，同时在晶体层中氟离子占据了活性氧原子向阳极扩散的通道，因而氟离子的掺杂有效的延缓了PbO₂镀层的劣化和Ti基底的氧化，另一方面，水化层中的氟离子也不利于H₂O₂的生成，同时阻隔了SO₄ ^2-和Pb⁴⁺的接触，抑制了PbO₂的阳极溶解。因此，氟离子的掺杂大大的延长了PbO₂阳极的寿命。与PbO₂阳极相比，F-PbO₂阳极有较大的比表面积，表面能吸附更多的活性氧物种，在一定程度抵消了由于F-的存在而导致的表面活性氧物种的减少。同时，在阳极表面由于自由氧原子的***和向电极内部的扩散都受到F-限制，从而导致有较多的·OH自由基积累，因此提高了F-PbO₂对有机污染物的电催化降解能力。 

由于Ti金属具有良好的防腐性、低廉的价格、热导率小、表面易于物理和化学加工处理等优点，是制备氧化物电极理想的基体材料。研究表明，Ti基PbO₂电极具有很好的耐腐蚀性和导电性，而且具有析氧电位较高、处理有机污染物能力较强的的优点，所以该电极在电解工业和环境处理方面有着广泛的应用。但是在制备Ti/PbO₂电极时人们发现，在Ti和PbO₂界面上的电阻较大，且结合力较弱，影响了电极电化学活性和稳定性。为解决这一问题，一种方法是在Ti上电沉积Ag、Au，然后在Ti上制备PbO₂。第二种方法是先在Ti上制备出导电性良好的氧化物 膜层，如含有SnO₂，Sb₂O₅的膜层，然后在该膜上用热形成或电沉积法制备PbO₂。 

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高析氧电位长寿命的PbO₂电极及制备方法。 

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高析氧电位长寿命的PbO₂电极及制备方法，其特征在于，该方法是采用电化学沉积方法，以钛基上有序生长的二氧化钛纳米管为中间层，在含有氟高分子的硝酸铅溶液中电沉积PbO₂，制备F-PbO₂/TiO₂-NTs电极。 

所述的方法具体包括以下步骤： 

(1)将纯钛片表面机械打磨抛光，清洗干净； 

(2)以溶质为NaF和支持电解质，并加入醇类添加剂，溶剂为水余量，配制电解液； 

(3)以步骤(1)中的钛片为工作电极，铂片为对电极，进行电化学阳极氧化处理，在钛基表面获得直立有序的TiO₂纳米管得到TiO₂-NTs/Ti； 

(4)将Pb(NO₃)₂，NaF，HNO₃，氟树脂配制成电镀液，该电镀液中硝酸铅的浓度为0.1mol/L～1mol/L，氟化钠的浓度为0.01mol/L～0.05mol/L，硝酸的浓度为0.01mol/L～0.2mol/L，氟树脂的浓度为1～20ml/L； 

(5)以步骤(3)制备的TiO₂-NTs/Ti为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，采用恒电流方法把含氟PbO₂沉积到纳米管中，制备F-PbO₂/TiO₂-NTs电极产品。 

所述的步骤(1)中的纯钛片厚度为0.02～0.1mm，尺寸为1～6cm²。 

所述的步骤(2)中NaF的浓度为0.05～1.0wt％，支持电解质为1.6～2.0wt％Na₂SO₄，醇类添加剂为10～50wt％的聚乙二醇(PG400)。 

所述的步骤(3)中工作电极和对电极间距为0.5～1.0cm，阳极化电压为10～40V，阳极化时间为1～5h。 

所述的步骤(4)电镀液中硝酸铅的浓度为0.1mol/L～1mol/L，氟化钠的浓度为0.01mol/L～0.05mol/L，硝酸的浓度为0.01mol/L～0.2mol/L，氟树脂的浓度为1～20ml/L； 

所述的步骤(5)中反应温度为60℃～100℃，沉积电流是0.03～0.05A/cm²； 沉积时间是0.5-2h。 

本发明以钛基二氧化钛纳米管为载体采用化学方法制备F-PbO₂/TiO₂-NTs/Ti电极，利用钛基体表面的TiO₂纳米管微观立体空间结构来改善和优化PbO₂电催化剂性能及其稳定性。先把制备的TiO₂-NTs进行底部还原和少量Cu的底部沉积，然后将含氟PbO₂组装到其中，一方面TiO₂-NTs由于是纳米管管状结构，和Ti板相比具有更大的比表面积，所以能够大幅度增加含氟PbO₂的组装量，另外一方面，TiO₂-NTs作为管状结构能够使含氟PbO₂很牢固的组装到基体上，这就解决了PbO₂和基底结合不牢固的缺点。同时少量Cu的底部沉积能够解决PbO₂和基底之间的导电性不好的问题。 

本发明利用TiO₂纳米管立体三维结构、大比表面积和高空间率等特点，将其作为电极基体，将具有高析氧电位的PbO₂组装到纳米管中，获得的电极不仅能表现出良好的电催化性能，而且，这种结构可以大大提高PbO₂电极的稳定性。与传统PbO₂，本发明具有如下优点： 

1.与PbO₂阳极相比，本发明充分利用了直立有序的TiO₂纳米管空间立体结构，大大提高了电极单位比表面积上PbO₂电催化剂的负载量。同时，阳极表面的PbO₂晶格中自由氧原子的***和向电极内部的扩散都受到均与分散在PbO2晶体间氟高分子的限制，因而极大地提高了电极的析氧电位，达到了2.4V以上。 

2.由于氟的掺杂使得在晶体层中氟离子占据了活性氧原子向阳极扩散的通道，因而有效地延缓了PbO₂镀层的劣化和Ti基底的氧化；另一方面，水化层中的氟离子也能够阻隔反应介质中SO₄ ^2-等阴离子和pb⁴⁺的接触，可抑制PbO₂的阳极溶解。更为重要的是本发明利用了直立有序的TiO₂纳米管模板，PbO₂进入管内后形成桩式结构，这种有序、微观尺度结构的紧密接触，负载更为均匀，负载更严实，没有裂缝存在，这将大大增强与基体的结合力，而且各结合点的张力均匀。而且，这种均匀、严实的涂层可以减少因氧气的析出导致表面开裂的几率，故而非常有效地延长了电极的使用寿命。 

附图说明

图1本发明方法制备的PbO₂-F-TiO₂-NTs/Ti电极的扫描电镜(SEM)照片； 

图2本发明方法制备的PbO₂-F-TiO₂-NTs/Ti电极的接触角图； 

图3本发明方法制备的PbO₂-F-TiO₂-NTs/Ti电极的析氧电位曲线图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 

实施例1 

F-PbO₂/Ti电极的制备。所述的方法具体包括以下步骤： 

(1)将厚度为0.08mm，尺寸为3cm²的纯钛片表面机械打磨抛光，清洗干净； 

(2)将0.4mol/L Pb(NO₃)₂，0.03mol/LNaF，0.08mol/L HNO₃，6ml/L氟树脂配制成电镀液； 

(3)以步骤(1)制备的Ti为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，在80℃反应温度下，采用恒电流方法把含氟PbO₂沉积到Ti板上，沉积电流是0.04A/cm²，沉积时间是1h，制备F-PbO₂/Ti电极电极产品。 

(4)该电极的析氧电位1.9V左右，由加速寿命测试结果计算得到电极的使用寿命约为3年。 

实施例2 

PbO₂/TiO₂-NTs/Ti电极制备。所述的方法具体包括以下步骤： 

(1)将厚度为0.08mm，尺寸为3cm²的纯钛片表面机械打磨抛光，清洗干净； 

(2)以0.05wt％NaF和支持电解质1.6wt％Na₂SO₄为溶质，加入醇类添加剂10wt％聚乙二醇(PG400)，溶剂为水余量，配制电解液； 

(3)以步骤(1)中的钛片为工作电极，铂片为对电极，工作电极和对电极间距为0.5cm，进行电化学阳极氧化处理，阳极化电压为10V，阳极化时间为3h，在钛基表面获得直立有序的TiO₂纳米管阵列； 

(4)将0.4mol/L Pb(NO₃)₂，0.03mol/L NaF，0.08mol/L HNO₃，氟树脂10ml/L配制成电镀液； 

(5)以步骤(3)制备的TiO₂-NTs/Ti为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，在60℃反应温度下，采用恒电流方法把PbO₂沉积到纳米管中，沉积电流是0.03A/cm²，沉积时间是0.5h，制备PbO₂/TiO₂-NTs/Ti电极电极产品。 

(6)该电极的析氧电位1.8V左右，由加速寿命测试结果计算得到电极的使用寿命约为5年。 

实施例3 

一种高析氧电位的PbO₂电极及制备方法，该方法是采用电化学沉积方法，以 钛基上直立生长的二氧化钛纳米管为载体，制备F-PbO₂/TiO₂-NTs/Ti电极。所述的方法具体包括以下步骤： 

(1)将厚度为0.1mm，尺寸为6cm²的纯钛片表面机械打磨抛光，清洗干净； 

(2)以1.0wt％NaF和支持电解质2.0wt％Na₂SO₄为溶质，加入醇类添加剂50wt％聚乙二醇(PG400)，溶剂为水余量，配制电解液； 

(3)以步骤(1)中的钛片为工作电极，铂片为对电极，工作电极和对电极间距为1.0cm，进行电化学阳极氧化处理，阳极化电压为20V，阳极化时间为5h，在钛基表面获得直立有序的TiO₂纳米管阵列； 

(4)将0.1mol/L Pb(NO₃)₂，0.01mol/L NaF，0.01mol/L HNO₃，1ml/L氟树脂配制成电镀液； 

(5)以步骤(3)制备的TiO₂-NTs/Ti为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，在100℃反应温度下，采用恒电流方法把含氟PbO₂沉积到纳米管中，沉积电流是0.05A/cm²，沉积时间是2h，制备F-PbO₂/TiO₂-NTs/Ti电极产品。 

(6)该电极的析氧电位2.4V，由加速寿命测试结果计算得到电极的使用寿命约为25年。 

实施例4 

一种高析氧电位的PbO₂电极及制备方法，该方法是采用电化学沉积方法，以钛基上直立生长的二氧化钛纳米管为载体，制备F-PbO₂/TiO₂-NTs电极。所述的方法具体包括以下步骤： 

(1)将厚度为0.02mm，尺寸为1cm²的纯钛片表面机械打磨抛光，清洗干净； 

(2)以1.8wt％NaF和支持电解质2.5wt％Na₂SO₄为溶质，加入醇类添加剂40wt％聚乙二醇(PG400)，溶剂为水余量，配制电解液； 

(3)以步骤(1)中的钛片为工作电极，铂片为对电极，工作电极和对电极间距为1.0cm，进行电化学阳极氧化处理，阳极化电压为40V，阳极化时间为1h，在钛基表面获得直立有序的TiO₂纳米管阵列； 

(4)将1mol/L Pb(NO₃)₂，0.05mol/L NaF，0.2mol/L HNO₃，20ml/L氟树脂配制成电镀液； 

(5)以步骤(3)制备的TiO₂-NTs/Ti为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，在100℃反应温度下，采用恒电流方法把含氟PbO₂ 沉积到纳米管中，沉积电流是0.08A/cm²，沉积时间是1.5h，制备F-PbO₂/TiO₂-NTs/Ti电极产品。 

(6)该电极的析氧电位2.4V，由加速寿命测试结果计算得到电极的使用寿命约为20年。 

本发明的目的是提供一种以直立于金属钛基表面的有序二氧化钛纳米管阵列为载体，采用化学组装方法制备F-PbO₂/TiO₂-NTs/Ti电极并研究其在处理有机污染物中的应用。 

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种高析氧电位长寿命的PbO₂电极的制备方法，其特征在于，该方法是采用电化学沉积方法，在Ti板上预生长一层直立有序的TiO₂-NTs纳米管作为中间层，然后在含有氟高分子的硝酸铅溶液中电沉积PbO₂，制备出F-PbO₂ /TiO₂-NTs/Ti电极；

所述的方法具体包括以下步骤：

（1）将纯钛片表面机械打磨抛光，清洗干净；

（2）以0.05～1.0wt%NaF和1.6～2.0wt%支持电解质为溶质，加入10～50 wt%醇类添加剂，溶剂为水余量，配制电解液；

（3）以步骤（1）中的钛片为工作电极，铂片为对电极，进行电化学阳极氧化处理，在钛基表面获得有序的TiO₂纳米管得到TiO₂-NTs/Ti；

（4）将Pb(NO₃)₂，NaF，HNO₃，氟树脂配制成电镀液，该电镀液中硝酸铅的浓度为0.1 mol/L～1 mol/L，氟化钠的浓度为0.01mol/L～0.05 mol/L，硝酸的浓度为0.01mol/L～0.2 mol/L，氟树脂的浓度为1～20ml/L；

（5）以步骤（3）制备的TiO₂-NTs/Ti为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，采用恒电流沉积方法把含氟PbO₂沉积到纳米管中，制备F-PbO₂/TiO₂-NTs/Ti电极产品。

2.根据权利要求1所述的一种高析氧电位的PbO₂电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中的纯钛片厚度为0.02~0.1mm，尺寸为1~6cm²。

3.根据权利要求1所述的一种高析氧电位的PbO₂电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）中支持电解质为Na₂SO₄，醇类添加剂为聚乙二醇（PG400）。

4.根据权利要求1所述的一种高析氧电位的PbO₂电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤（3）中工作电极和对电极间距为0.5～1.0cm，阳极化电压为10～40V，阳极化时间为1～5h。

5.根据权利要求1所述的一种高析氧电位的PbO₂电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤（5）中反应温度为60℃～100℃，沉积电流是0.03～0.05A/cm²；沉积时间是0.5～2h。

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