CN104047020B - 一种钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极及其制备和应用 - Google Patents
一种钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极及其制备和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极及其制备和应用。所述方法包括以下步骤：首先对钛基体表面处理，然后在钛基体表面涂覆含Sn、Sb元素的溶胶?凝胶，提升PbO2层和钛基体的结合，防止钛基体在电氧化过程中钝化，最后通过电沉积法将PVDF和Pb2+共沉积在SnO2?Sb2O5表面，得到钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极。本发明制备方法对设备要求低，制备工艺简单。本发明所得的电极表面颗粒均匀、致密，具有较长的电极寿命、机械强度高、抗腐蚀性能好，电氧化能力强；作为阳极处理难降解有机废水，降解效果良好。
Description
技术领域
本发明属于电化学电极制备技术领域，具体涉及一种钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极及其制备和应用。
背景技术
PbO2具有价格便宜，导电性好，析氧电位高，矿化能力强等特点，其性能优于传统的石墨电极和单质金属电极，因此PbO2常被用作阳极电化学氧化有机污染物。
目前的二氧化铅电极制备方法，通常在钛基体表面处理后，涂覆中间层(α-PbO2、铂、锡锑等)，电沉积二氧化铅等基本过程，制备得到二氧化铅阳极材料。但该法制备的PbO2涂层存在内部应力，容易剥落而使耐久性下降，寿命降低，在电解有机污染物的过程中电极性质不稳定。鉴于此，有必要对现有的二氧化铅阳极材料的制备方法进行改进。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述制备方法得到的钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极。
本发明的再一目的在于提供上述制备方法得到的钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过打磨、碱洗、酸洗和清洗，对钛基体进行表面处理；
(2)将等量的含Sn、Sb元素的溶胶-凝胶涂覆液分别涂覆于步骤(1)表面处理后的钛基体正反两面，于120～150℃干燥5～15min，使溶剂挥发，再于450～550℃煅烧5～15min；重复上述涂覆-干燥-煅烧15～20次，得到Ti/SnO2-Sb2O5；
(3)将电沉积液加入到电沉积反应器中，控制水浴温度50～60℃，搅拌速度1000～1500r/min；然后以步骤(2)制备的Ti/SnO2-Sb2O5为阳极，将同样面积的两块钛基体分别放置于阳极两侧作为阴极，进行电沉积反应，得到所述钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极。
优选的，步骤(1)中所述打磨、碱洗、酸洗和清洗的具体操作为：先用砂纸打磨钛板(钛基体)至出现银白色金属光泽；然后将打磨后的钛板置于5％(质量)NaOH溶液中碱洗，碱洗在90℃水浴中进行；再将碱洗后的钛板置于10％(质量)盐酸溶液中酸洗，酸洗在98℃水浴中进行；最后用超纯水清洗酸洗后钛板。
优选的，步骤(2)中所述的含Sn、Sb元素的溶胶-凝胶涂覆液由如下方法制备得到：将柠檬酸和乙二醇按140g:30mL的比例混合，搅拌溶解后将溶液加热至90℃，然后加入SnCl4·5H2O和SbCl3固体并保温30min，得到所述溶胶-凝胶涂覆液；其中乙二醇、SnCl4和SbCl3的比值为30mL:9g:1g。
优选的，步骤(2)中通过移液枪将等量的溶胶-凝胶涂覆液分别涂覆于步骤(1)表面处理后的钛基体双表面。
优选的，步骤(3)中所述电沉积具体操作为：先在高电流密度175mA/cm2条件下电沉积20min后，于低电流密度87.5mA/cm2条件下电沉积40min，之后将阳极取出并用超纯水冲洗干净，晾干即得到所述钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极。
优选的，步骤(3)所述电沉积液通过如下制备方法得到：将60g硝酸铅、0.03mol硝酸和0.15g氟化钠溶于300mL超纯水中，搅拌均匀得到超纯水溶液；将2g聚偏二氟乙烯溶于100mL的N-甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀后与超纯水溶液混合均匀，得到所述电沉积液。
由于聚偏二氟乙烯(PVDF)是一种疏水性较强的物质，较难溶于水，因此采用NMP作为PVDF在水相中的助溶剂，有利于二氧化铅和PVDF在Ti/SnO2-Sb2O5上均匀沉积。
上述制备方法得到的钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极。该电极表面颗粒均匀、致密；采用加速寿命测试法(电流密度1A/cm2)测试得电极的寿命为45.75h。该电极电化学氧化难降解污染物PFOA(被Brown和Wania列入120种北极潜在污染物名单)，在电流密度30mA/cm2，电氧化3h的条件下，，PFOA去除率92.71％，可见该电极具有较强的电氧化能力。
上述制备方法得到的钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极处理难降解有机废水中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)PVDF是一种耐腐蚀、耐氧化的物质，将其掺杂在二氧化铅沉积层中可以分散二氧化铅的内应力，提高镀层的耐腐蚀性，延长电极寿命。因此，本发明通过向PbO2涂层中添加防腐颗粒物PVDF，而使应力分散，避免涂层中PbO2的连续分布，消除内应力，提高电极的抗腐蚀性和寿命，制备的电极均匀致密。
(2)本发明采用涂覆法制备SnO2-Sb2O5中间层，使得表面二氧化铅层与Ti基体更紧密的结合，也可防止钛基体在电氧化过程中钝化。
(3)本发明所述的制备方法易于操作，对设备要求较低；制备电极表面均匀、致密；涂层不易脱落，结合力好，电极寿命从Ti/PbO2的2.45h延长到Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2-PVDF的45.75h；析氧电位从Ti/PbO2的1.42V提高到Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2-PVDF的1.83V，同时电氧化能力有较大的提高。
附图说明
图1为对比例1传统恒电流法制备的Ti/PbO2电极表面形貌；
图2为实施例1制备的Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2-PVDF电极表面形貌；
图3为对比例1制备的Ti/PbO2和实施例1制备的Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2-PVDF电极的析氧电位；
图4为对比例1制备的Ti/PbO2和实施例1制备的Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2-PVDF电极对全氟辛酸的去除率。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极的制备方法，包括以下步骤：
(1)将边长为42cm的正方形钛板依次用240目和360目的砂纸打磨至出现银白色金属光泽；然后将打磨后的钛板置于水浴90℃、5％(质量)NaOH溶液中进行碱洗1h；再将碱洗后的钛板置于水浴98℃、10％(质量)盐酸溶液中进行酸洗2h；最后用超纯水清洗，得到预处理后的钛基体；
(2)采用移液枪将等量的溶胶-凝胶涂覆液分别涂覆于步骤(1)预处理后的钛基体正反两面，然后将其置于烘箱中，在140℃干燥10min，使溶剂挥发，再置于马弗炉中在500℃煅烧10min；将钛基体取出冷却后，重复上述涂覆-干燥-煅烧18次，得到Ti/SnO2-Sb2O5；最后一次在马弗炉在煅烧时，退火2h；
其中所述的溶胶-凝胶涂覆液由如下方法制备得到：将柠檬酸和乙二醇按140g:30mL的比例混合，搅拌溶解后将溶液加热至90℃，然后加入SnCl4·5H2O和SbCl3固体(乙二醇：SnCl4：SbCl3＝30mL:9g:1g)并保温30min，得到所述溶胶-凝胶涂覆液；
(3)将电沉积液加入到电沉积反应器中，控制水浴温度55℃，磁力搅拌速度1300r/min；然后以步骤(2)制备的Ti/SnO2-Sb2O5为阳极，将同样面积的两块钛基体分别放置于阳极两侧作为阴极；在高电流密度175mA/cm2条件下电沉积20min后，于低电流密度87.5mA/cm2条件下电沉积40min，之后将阳极取出并用超纯水冲洗干净，晾干即得到所述钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极；
其中所述电沉积液通过如下制备方法得到：将60g硝酸铅、0.03mol硝酸和0.15g氟化钠溶于300mL超纯水中，搅拌均匀得到含200g/L Pb(NO3)2、0.1mol/LHNO3、0.5g/L NaF的超纯水溶液；将2g聚偏二氟乙烯溶于100mL的N-甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀后与超纯水溶液混合均匀，得到所述电沉积液。
本实施例得到的钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极(即Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2-PVDF电极)表面形貌如图2所示，从图中可以看到，电极表面颗粒细小、分布均匀，颗粒大小大约在40-100nm范围内，成纳米级别。颗粒具有独立的结构，利用应力分散，使得电极寿命提高。
对比例1
按传统恒电流法制备得到Ti/PbO2电极，制备方法为：电解质溶液为200g/LPb(NO3)2、0.1mol/L HNO3、0.5g/L NaF的300mL超纯水溶液。阴阳两极均采用经过预处理的纯Ti板。为了保证电沉积时在阳极的两面均形成均匀的PbO2沉积层，采用两块阴极板中间放置一块阳极板的电沉积***，三块电极有相同的形状和面积，阳极板与两阴极板间距均相等，电沉积PbO2反应器。反应器置于恒温加热搅拌器中水浴，磁力搅拌速率保持1300r/min。直流稳压电源控制电流密度为142mA/cm2。反应温度85℃，电沉积时间控制在15-30min。
本对比例得到的Ti/PbO2电极表面形貌如图1所示，从图1中可以看到Ti/PbO2电极表面呈现裂纹及微小孔洞，PbO2几乎整片连接，该表面结构不利于应力分散，机械强度不高，容易断裂，脱落。
图3为对比例1制备得到的Ti/PbO2电极和实施例1制备的Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2-PVDF电极的析氧电位。电极的线性扫描伏安测试，可以获得电极析氧反应电位。实验采取电化学三电极***，Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2-PVDF电极作为工作电极，相同尺寸的经过预处理的钛板作为对电极，饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极，电解质溶液为0.5mol/L H2SO4溶液。在分析参数为：初始电位：0V，终止电位：1.9V，扫描速率：0.1V，采样间隔：0.001V，静止时间：2s，灵敏度：1×e-0.001A/V条件下分析样品析氧电位。从图3可以看出Ti/PbO2电极析氧电位为1.42V；Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2-PVDF电极析氧电位为1.74V。经过改性后的Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2-PVDF电极析氧电位提高了0.32V，间接表明氧化能力增强。
图4为对比例1制备得到的Ti/PbO2电极和实施例1制备的Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2-PVDF电极对全氟辛酸的去除率。Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2-PVDF电极电化学氧化PFOA的实验条件：200mL100mg/L PFOA水溶液，电解质1.4g/L的NaClO4，Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2-PVDF作为阳极，相同尺寸的纯钛板作为阴极，两极板间距1cm。用恒电流法，在阴阳极上加上电流密度为40mA/cm2的电流，磁力搅拌速率为1300r/min，室温下反应180min。由图4可以看出，Ti/PbO2电极对PFOA的降解率为53.07％，Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2-PVDF电极对PFOA的降解率为92.71％，改性PbO2电极极大的提高了PFOA的去除率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过打磨、碱洗、酸洗和清洗，对钛基体进行表面处理；
(2)将等量的含Sn、Sb元素的溶胶-凝胶涂覆液分别涂覆于步骤(1)表面处理后的钛基体正反两面，于120～150℃干燥5～15min，再于450～550℃煅烧5～15min；重复上述涂覆-干燥-煅烧15～20次，得到Ti/SnO2-Sb2O5；
(3)将电沉积液加入到电沉积反应器中，控制水浴温度50～60℃，搅拌速度1000～1500r/min；然后以步骤(2)制备的Ti/SnO2-Sb2O5为阳极，将同样面积的两块钛基体分别放置于阳极两侧作为阴极，进行电沉积反应，得到所述钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极；
步骤(3)所述电沉积液通过如下制备方法得到：将60g硝酸铅、0.03mol硝酸和0.15g氟化钠溶于300mL超纯水中，搅拌均匀得到超纯水溶液；将2g聚偏二氟乙烯溶于100mL的N-甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀后与超纯水溶液混合均匀，得到所述电沉积液。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述打磨、碱洗、酸洗和清洗的具体操作为：先用砂纸打磨钛基体至出现银白色金属光泽；然后将打磨后的钛基体置于5％(质量)NaOH溶液中碱洗，碱洗在90℃水浴中进行；再将碱洗后的钛基体置于10％(质量)盐酸溶液中酸洗，酸洗在98℃水浴中进行；最后用水清洗酸洗后的钛基体。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的含Sn、Sb元素的溶胶-凝胶涂覆液由如下方法制备得到：将柠檬酸和乙二醇按140g:30mL的比例混合，搅拌溶解后将溶液加热至90℃，然后加入SnCl4·5H2O和SbCl3固体并保温30min，得到所述溶胶-凝胶涂覆液；其中乙二醇、SnCl4和SbCl3的比值为30mL:9g:1g。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中通过移液枪将等量的溶胶-凝胶涂覆液分别涂覆于步骤(1)表面处理后的钛基体双表面。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述电沉积具体操作为：先在高电流密度175mA/cm2条件下电沉积20min后，于低电流密度87.5mA/cm2条件下电沉积40min，之后将阳极取出并用超纯水冲洗干净，即得到所述钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极。
6.权利要求1～5任一项所述制备方法得到的钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极。
7.权利要求1～5任一项所述制备方法得到的钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极处理难降解有机废水中的应用。
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