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含钽中间层钛基金属氧化物电极的性能研究

作　者: 吴维兰
导　师: 侯文涛；许立坤
学　校: 山东大学
专　业: 化学工艺
关键词: 钽中间层金属氧化物阳极电化学性能磁控溅射热分解
分类号: TG174.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

金属氧化物阳极以其稳定的电化学性能和良好的电催化活性在氯碱工业、湿法冶金、有机合成、阴极保护、电解防污、工业电镀等电化学工程中得到广泛应用,是现今较理想的电极材料。为了进一步提高阳极的使用寿命和电催化活性,针对钛基金属氧化物阳极材料的发展,在本论文中我们采用添加钽中间层的方法制备了金属氧化物阳极,并研究了钽中间对钛基金属氧化物阳极的性能影响。采用EEM、EDX、XRD等手段分析金属氧化物阳极的表面形貌、成分分布和物相结构,结合循环伏安(CV)、动电位极化、电化学交流阻抗图谱(EIS)、强化电解寿命测试(ALT)等电化学测试手段分析了金属氧化物阳极的电化学性能和稳定性。研究了五氯化钽溶液在纯氮气(≥99.99%)气氛下的热重分析,实验表明,五氯化钽溶液在300℃时已基本分解完全,热分解最终产物的成分包括单质钽、部分氧化钽和少量残余的氯。研究了热分解法和磁控溅射法制备钽层的工艺。研究结果表明,热分解法制备的钽层表面以龟裂状裂纹形式存在,钽层的组成主要以Ta、TaO2或Ta2O5形式存在,并随着钽层厚度的增加,表面裂纹数量增大；磁控溅射法制备的钽层表面是以一定的堆积状形貌存在,表面致密,钽层的组成主要以单质Ta为主,并随着钽层沉积时间的增加,表面粗糙度降低。这两种方法相对比可知,磁控溅射法制备的钽层表面致密、结晶度好。研究了热分解法制备含钽中间层的Ti/Ta/IrO2-Ta2O5电极的结构和性能以及电解失效后的机理。研究表明,钽中间层的加入,减少了电极表面裂纹数量,提高了电极的析氧电位和强化寿命。随着钽中间层厚度的增加,析氧电位无明显变化,但电极的强化电解寿命有所降低。添加钽中间的Ti/Ta/IrO2-Ta2O5电极电解失效机理主要是表面活性组分的溶解。研究了磁控溅射法制备含钽中间层的Ti/Ta/IrO2-Ta2O5电极的结构和性能以及电解失效后的机理。结果表明,加入钽中间层的电极表面裂纹细少,循环伏安曲线出现明显的氧化还原峰,伏安电量Q*和析氧电位明显提高,电极的稳定性明显高于Ti/IrO2-Ta2O5电极。该含钽中间层的阳极的失效机理与热分解法制备含钽中间层的Ti/Ta/IrO2-Ta2O5电极的失效机理相同,主要是表面活性物质IrO2的溶解。

全文目录

中文摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-23
  1.1 前言  12-13
  1.2 金属氧化物阳极的应用现状  13-14
    1.2.1 氯碱工业  13
    1.2.2 电解防污  13-14
    1.2.3 外加电流阴极保护用辅助阳极  14
  1.3 金属氧化物阳极的失效机制研究  14-16
  1.4 含中间层的钛基金属氧化物阳极的研究现状  16-21
    1.4.1 含钽中间层的金属氧化物阳极研究  17-18
    1.4.2 钽涂层的制备方法研究  18-21
  1.5 选题意义及内容介绍  21-23
第二章实验方法  23-28
  2.1 实验材料和仪器  23-25
  2.2 钛基体钽涂层的制备  25-26
    2.2.1 钛基体预处理  25
    2.2.2 钽涂层的制备工艺  25-26
  2.3 氧化物阳极涂层的制备  26
  2.4 氧化物阳极微观结构和电化学性能测试  26-28
    2.4.1 微观结构分析  26
    2.4.2 电化学性能测试  26-27
    2.4.3 氧化物阳极的强化电解寿命(ALT)测试  27-28
第三章在钛基体上利用热分解法和磁控溅射法制备钽涂层的研究  28-38
  3.1 引言  28
  3.2 结果与讨论  28-37
    3.2.1 TaCl_5正丁醇溶液在纯氮气下的热重分析  28-30
    3.2.2 热分解法制备钽涂层的表面形貌和物相结构分析  30-34
    3.2.3 磁控溅射法制备钽层的表面形貌和物相结构分析  34-37
  3.3 结论  37-38
第四章热分解法制备含钽中间层的Ti/IrO_2-Ta_2O_5阳极电化学性能研究  38-53
  4.1 引言  38
  4.2 结果与讨论  38-52
    4.2.1 阳极表面形貌和物相组分分析  38-40
    4.2.2 阳极循环伏安曲线分析  40-42
    4.2.3 阳极动电位极化曲线分析  42-43
    4.2.4 阳极电化学交流阻抗图谱(EIS)  43-47
    4.2.5 阳极的稳定性  47-48
    4.2.6 阳极电解失效后性能研究  48-52
  4.3 结论  52-53
第五章磁控溅射法制备钽中间层Ti/Ta/IrO_2-Ta_2O_5氧化物阳极性能研究  53-68
  5.1 引言  53
  5.2 结果与分析  53-67
    5.2.1 阳极表面形貌及物相结构分析  53-55
    5.2.2 阳极循环伏安曲线分析  55-58
    5.2.3 阳极的动电位极化曲线分析  58-59
    5.2.4 阳极电化学交流阻抗图谱(EIS)分析  59-62
    5.2.5 阳极稳定性测试  62-63
    5.2.6 阳极电解失效后分析  63-67
  5.3 结论  67-68
第六章结论  68-70
参考文献  70-75
致谢  75-76
攻读硕士期间发表的学术论文  76-77
学位论文评阅及答辩情况表  77

含钽中间层钛基金属氧化物电极的性能研究

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