CN103305866A - 一种以氧化铝基复合材料为基体的二氧化铱系纳米涂层电极的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以氧化铝基复合材料为基体的二氧化铱系纳米涂层电极的制备方法，属于纳米电极材料制备技术领域。步骤为：（1）微波烧结法制备氧化铝基复合材料；（2）涂覆液的配制；（3）热分解法制备纳米涂层电极。本发明的优点在于以氧化铝基复合材料为基体生长的纳米二氧化铱棒分布密集，纳米棒的尺寸较长，极大地提高了电极比表面积和电催化活性；同时具有生产工艺简单，生产周期短，设备成本低，易于实现产业化等优点。本发明适用于工业电镀、有机物电解合成、阴极保护、金属铜箔的制造、新型电子器件制造、工业废水处理以及气体传感器等领域，具有很好的应用前景。

Description

一种以氧化铝基复合材料为基体的二氧化铱系纳米涂层电极的制备方法

技术领域

本发明属于纳米电极材料制备技术领域，特别涉及一种氧化铝基复合材料的制备及以此为基体的二氧化铱系纳米涂层电极材料的制备方法。

背景技术

纳米材料在光、热、电、磁、化学及电化学等性质方面与常规材料迥然不同，使得纳米材料具有特殊的表面效应、体积效应、热传导性、磁学特性、光学特性、微波吸收特性、超导性以及特殊的化学吸附特性，极高的化学和电化学反应活性和催化特性。表面具有高密度纳米棒的电极材料具有极高的真实比表面积，意味着比普通电极材料更高的催化活性，可大大降低工业用电极材料的能源消耗。

二氧化铱具有良好的导电性、优良的耐腐蚀性以及良好的电化学特性，作为电极材料广泛用于工业电镀、有机物电解合成、阴极保护、金属铜箔的制造、新型电子器件制造、工业废水处理以及气体传感器等领域。目前所制备的二氧化铱系电极材料仍存在电催化活性低的缺点，然而，表面具有高密度纳米棒的二氧化铱系电极材料极大的活性比表面积，可大大提高催化活性和降低能源消耗。另外，在某些特定的工作条件中，如高温析氧环境下，钛金属基体使用过程中表面容易氧化形成绝缘的氧化钛层而导致电极失效，大大降低电极的使用寿命。由此可见，目前工业上大量应用的以钛为基体的二氧化铱系电极并不能满足如此苛刻的环境。氧化铝基复合材料的主要成分为Al₂O₃，其在高温下甚至超高温度下都具有良好的化学稳定性和机械稳定性。以氧化铝基复合材料为基体的二氧化铱系阳极，实现了电极能在较高温度的环境中长时间工作的技术要求。另外，氧化铝基复合材料特殊的表面状态和高比表面积，极大地增加了二氧化铱晶体的形核率，促进了电极表面高密度二氧化铱棒的生成。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的纳米二氧化铱系电极的制备方法，采用微波烧结法制备氧化铝与阀金属的复合材料，在所制得的氧化铝基复合材料上使用热分解法制备出表面具有高密集度纳米棒状二氧化铱的涂层，获得高比表面积的电极材料，大大增加二氧化铱系电极电催化活性。

本发明是通过如下过程实现的：

一种以氧化铝基复合材料为基体的二氧化铱系纳米涂层电极的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

    （1）氧化铝基复合材料的制备：量取一定量的纯氧化铝α-Al₂O₃粉末和阀金属粉末，按质量比为10:0～6:4将粉末相互混合，并在球磨时间为5～25h，球磨转速为100～300转/min的球磨工艺下分散均匀。将分散好的粉末在液压机上压制成片，然后放入微波烧结炉中1100～1600℃烧结20～60min，即获得氧化铝基复合材料，最后将烧结好的氧化铝基复合材料洗净干燥；

（2）涂覆液的配制：定量量取氯铱酸和含有掺杂元素M的溶液，控制涂覆液中Ir：M离子摩尔比为（0.5～2）:1，Ir和M总离子浓度为0.3mol/L。

（3）热分解法制备纳米涂层电极：用软毛刷将配制好的溶液刷在步骤（1）中所得的复合材料基体表面，置于90～120℃下烘干10～15min，使得涂覆液中的水分充分挥发；再将试样放入马弗炉中，在400～500℃的温度下煅烧5～20min，使得涂覆液中的化合物充分分解成相应的金属氧化物涂层；取出后空冷至室温，重复以上步骤直到涂层达到需要的担载量为止；最后将试样放入马弗炉中，在400～500℃下裂解1～5h，得到Ir-M氧化物固溶体涂层和纳米晶状的二氧化铱涂层。

进一步地，上述过程中掺杂元素M为Ta、Mn、Sn、Ni或Al其中的一种；所述的阀金属为Ta、Zr、Ti和Nb；在制备氧化铝基复合材料过程中，为了便于成片，在α-Al₂O₃粉末和阀金属粉末中加入少量的聚乙烯醇粘结剂；在制备涂覆液时，以氯铱酸作为氧化物涂层中二氧化铱的来源， TaCl₅、Mn(NO₃)₂、SnCl₄、NiCl₂或AlCl₃分别为掺杂元素的来源，掺杂元素M为Ta、Mn、Sn、Ni或Al；含掺杂元素M的溶液为TaCl₅、Mn(NO₃)₂、SnCl₄、NiCl₂或AlCl₃。

本发明所制备的氧化铝基复合材料二氧化铱系涂层电极表面，棒状二氧化铱生长密集，尺寸较长。

本发明采用传统的热分解法制备氧化铝基复合材料纳米二氧化铱系涂层，与溶胶凝胶法、磁控溅射法等相比，有操作简单、成本低廉、所得电极稳定性好等优点。

附图说明

图1为本发明实施例1中的纳米二氧化铱电极场发射扫描电子显微镜（FESEM）图；

图2为本发明实施例2中的纳米二氧化铱电极场发射扫描电子显微镜（FESEM）图；

图3为本发明实施例3中的纳米二氧化铱电极场发射扫描电子显微镜（FESEM）图。

具体实施方式

实施例 1

以微波烧结方法制得氧化铝和阀金属钽复合材料，氧化铝和钽粉的质量比为8:2，球磨混粉时间为20h，转速为180转/min。微波烧结时间为20min，烧结温度为1400℃。量取适量的氯铱酸和硝酸锰溶液混合配制成涂覆液，涂覆液中铱-锰离子摩尔比为2:1，铱、锰总离子浓度为0.3mol/L。涂覆过程中，热分解温度为450℃，热分解时间为1h。

实施例 2

以微波烧结方法制得氧化铝和阀金属锆复合材料，氧化铝和锆粉的质量配比为8:2，球磨混粉时间为20h，转速为180转/min。微波烧结时间为20min，烧结温度为1600℃。量取适量的氯铱酸和硝酸锰溶液混合配制成涂覆液，涂覆液中铱-锰离子摩尔比为2:1，铱、锰总离子浓度为0.3mol/L。涂覆过程中，热分解温度为450℃，热分解时间为1h。

实施例 3

以微波烧结方法制得氧化铝和阀金属铌复合材料，氧化铝和铌粉的质量配比为9:1，球磨混粉时间为20h，转速为180转/min。微波烧结时间为20min，烧结温度为1500℃。量取适量的氯铱酸和硝酸锰溶液混合配制成涂覆液，涂覆液中铱-锰离子摩尔比为2:1，铱、锰总离子浓度为0.3mol/L。涂覆过程中，热分解温度为450℃，热分解时间为1h。

Claims (5)

1.一种以氧化铝基复合材料为基体的二氧化铱系纳米涂层电极的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

（1）氧化铝基复合材料的制备：

首先，按质量比10:0～6:4量取α-Al₂O₃粉末和阀金属粉末并相互混合；然后，通过球磨处理使粉末分散均匀，球磨时间为5～25h，转速为100～300转/min，分散好的粉末用液压机压制成片；最后，将成片后的试样放入微波烧结炉中烧结，烧结温度为1100～1600℃，烧结时间为20～60min；

（2）涂覆液的配制：分别量取适当的氯铱酸和含掺杂元素M的溶液，使溶液中Ir：M的离子摩尔比为（0.5～2）:1，放入试样瓶中混合均匀，之后用蒸馏水稀释混合液，直至Ir、M总离子浓度为0.3mol/L；

（3）热分解法制备纳米涂层电极：用软毛刷将配制好的溶液刷在步骤（1）中所得的氧化铝基复合材料表面，置于90～120℃下烘干10～15min之后放入马弗炉中，在400～500℃的温度下煅烧5～20min，取出后空冷至室温，重复以上步骤直到涂层达到所需电极担载量，最后电极在400～500℃下裂解1～5h。

2.根据权利要求1所述的一种以氧化铝基复合材料为基体的二氧化铱系纳米涂层电极的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的阀金属为Ta、Zr、Ti和Nb。

3.根据权利要求1所述的一种以氧化铝基复合材料为基体的二氧化铱系纳米涂层电极的制备方法，其特征在于，在制备氧化铝基复合材料过程中，为了便于成片，在α-Al₂O₃粉末和阀金属粉末中加入少量的聚乙烯醇粘结剂。

4.根据权利要求1所述的一种以氧化铝基复合材料为基体的二氧化铱系纳米涂层电极的制备方法，其特征在于，在步骤（2）中掺杂元素M为Ta、Mn、Sn、Ni或Al。

5.根据权利要求1所述的一种以氧化铝基复合材料为基体的二氧化铱系纳米涂层电极的制备方法，其特征在于，在步骤（2）中含掺杂元素M的溶液为TaCl₅、Mn(NO₃)₂、SnCl₄、NiCl₂或AlCl₃溶液。

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