CN105274561A - 一种含有中间层的纳米结构dsa电催化电极的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，它涉及一种电催化电极的制备方法。它要解决现有DSA电催化电极存在稳定性差、寿命短的问题。方法：制备具有纳米金属氧化物中间涂层的钛基体；制备溶胶；将具有纳米金属氧化物中间涂层的钛基体浸渍在溶胶中，热处理后自然降温，即完成。本发明工艺简单、操作简便；具有较高的氧析出电位；纳米结构涂层由稀土掺杂半导体材料构成，并增大了电极的比表面积，实现对有机物的高效降解，电极电催化性能得到大幅度提高；由于金属氧化物中间层的存在，使电极具有较好的稳定性，与同类电极相比，有了大幅度提高，可连续使用1年以上；涂层表面致密、不易脱落，寿命长，可满足废水处理的实际需要。

Description

一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法

技术领域

本发明涉及一种电催化电极的制备方法。

背景技术

目前，DSA电极主要应用于硫酸、氯碱工业，其功能是析氧和析氯，而在废水处理方面，寿命较长的DSA电极，如Ti\RuO₂、Ti\IrO₂电极，其析氧过电位较低，对有机物催化降解能力差，电极的电催化性能不能满足废水处理的实际需要；电催化性能很好的DSA电极，如Ti\SnO₂、Ti\PbO₂电极，由于寿命较短，同样不能满足实际需要，并且电极表面涂层不致密、易脱落。DSA电催化电极制备方法工艺复杂，原料混合不均匀，影响最终产品质量。

“专利号为ZL200610010182.6，名称为一种纳米结构形稳阳极的制备方法”的专利中公开了纳米结构形稳阳极的制备方法，虽然解决了电极表面涂层不致密的问题，但是依然存在涂层易脱落，电极涂层组分溶解，以及在使用过程中涂层与基体间形成了不导电的TiO2氧化物层，导致电极的钝化、失活等问题，造成电极稳定性差、寿命短。因此，亟待制备同时具有长寿命和高催化性能的电极。

发明内容

本发明目的是为了解决现有DSA电催化电极存在稳定性差、寿命短的问题，而提供一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法。

一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，按以下步骤实现：

一、配制0.01～5mol/L金属元素的氯化物或硝酸盐的醇溶液，以浸渍法或涂刷法在经过预处理的钛基体上涂膜，在60～150℃下干燥，此过程重复进行1～10次，然后在300～600℃下热处理5～30min，此过程重复进行1～15次，再在300～600℃下热处理0.5～2h，得到具有纳米金属氧化物中间涂层的钛基体；

二、配制0.01～2mol/L半导体材料氯化物或硝酸盐的水溶液，然后加入稀土元素的硝酸盐或氯化物的水溶液、SbCl₃的水溶液和络合剂，搅拌至络合剂全部溶解，再滴加到0.01～2mol/L的沉淀剂中，得到白色沉淀；

三、白色沉淀静置分层后过滤，并洗涤1～5次，然后在室温至150℃下干燥0.5～2h，得到淡黄色沉淀，再置于蒸馏水中，在50～90℃水浴下加入胶溶剂直至淡黄色沉淀全部溶解，然后加入分子量为200～6000的聚乙二醇，得到粘度为1×10^-3～50×10^-3Pa·S的溶胶；

四、将具有纳米金属氧化物中间涂层的钛基体浸渍在步骤三所得溶胶中，取出后在60～150℃下干燥后得到凝胶，此过程反复进行1～10次，然后采用梯度升温法进行热处理，再自然降温，即完成含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备。

本发明中增加的纳米金属氧化物中间涂层，选择的是具有较高析氧过电位的材料，进行电化学反应时析氧困难，同时致密中间层的存在又阻挡了活性氧向基体的扩散和渗透，使基体与活性层之间不导电的TiO₂膜形成的速度减慢，延缓了钛基体的钝化。此外，中间层与钛基体和纳米结构涂层形成稳定的连续固溶体，使电极具有很好的结合力，可显著增强电极使用寿命，增强电极的稳定性和电催化性能，还可耐气体侵蚀，不使活性涂层过早剥落。

本发明提供一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，工艺简单、操作简便；具有较高的氧析出电位；电解时通过产生羟基自由基实现对有机物的广谱、无选择性氧化降解；纳米结构涂层由稀土掺杂半导体材料构成，并增大了电极的比表面积，实现对有机物的高效降解，与非纳米结构的同类电极相比较，处理等量有机物，完全降解需要的时间减少了17％，可见电极电催化性能得到大幅度提高；由于金属氧化物中间层的存在，使电极具有较好的稳定性，与同类电极相比，有了大幅度提高，可连续使用1年以上；涂层表面致密、不易脱落，寿命长，可满足废水处理的实际需要。

附图说明

图1是实施例中Ti/SnO₂电极的表面形貌图；

图2是实施例中Ti/Ru/Ce-SnO₂电极的表面形貌图；

图3是实施例中Ti/Ru/Ce-SnO₂电极与Ti/SnO₂电极的在稳定性实验中槽电压的变化情况图，其中●表示Ti/SnO₂电极，■表示Ti/Ru/Ce-SnO₂电极。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，按以下步骤实现：

一、配制0.01～5mol/L金属元素的氯化物或硝酸盐的醇溶液，以浸渍法或涂刷法在经过预处理的钛基体上涂膜，在60～150℃下干燥，此过程重复进行1～10次，然后在300～600℃下热处理5～30min，此过程重复进行1～15次，再在300～600℃下热处理0.5～2h，得到具有纳米金属氧化物中间涂层的钛基体；

二、配制0.01～2mol/L半导体材料氯化物或硝酸盐的水溶液，然后加入稀土元素的硝酸盐或氯化物的水溶液、SbCl₃的水溶液和络合剂，搅拌至络合剂全部溶解，再滴加到0.01～2mol/L的沉淀剂中，得到白色沉淀；

三、白色沉淀静置分层后过滤，并洗涤1～5次，然后在室温至150℃下干燥0.5～2h，得到淡黄色沉淀，再置于蒸馏中，在50～90℃水浴下加入胶溶剂直至淡黄色沉淀全部溶解，然后加入分子量为200～6000的聚乙二醇，得到粘度为1×10^-3～50×10^-3Pa·S的溶胶；

四、将具有纳米金属氧化物中间涂层的钛基体浸渍在步骤三所得溶胶中，取出后在60～150℃下干燥后得到凝胶，此过程反复进行1～10次，然后采用梯度升温法进行热处理，再自然降温，即完成含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备。

本实施方式步骤一中钛基体进行预处理的目的是以除去表面的油脂和氧化层。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一中金属元素为Ru、Ir、Sn、W、Fe中的一种或多种的任意比例混合。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，步骤一中醇溶剂为乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、丙酮中的一种或多种的任意比例混合。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，步骤一中钛基体的预处理过程：钛基体用40～320目的砂纸进行打磨，直至钛基体表面呈现银白色金属光泽，然后浸泡在质量百分比含量为10％～40％的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中，并于80～100℃水浴加热1～3h，再用蒸馏水清洗3～5次，然后浸泡在质量百分比含量为10％～25％的草酸、盐酸、硫酸、硝酸中的一种或两种的任意比例混合液中，并于70～100℃水浴加热1～3h。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，步骤一中配制2mol/L金属元素的氯化物或硝酸盐的醇溶液。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，步骤一中在100℃干燥，此过程重复进行2次，然后在400℃下热处理10min，此过程重复进行2次，再在400℃下热处理1h。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，步骤二中半导体材料为Sn、Ge、Si、Pb的半导体氧化物中的一种或两种的任意比例混合。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，步骤二中稀土元素为LaCePrNdSmEuGdDy中的一种或多种的任意比例混合。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，步骤二中稀土元素的硝酸盐或氯化物的水溶液和SbCl₃的水溶液的总加入量占半导体材料氯化物或硝酸盐的摩尔含量为2～12％。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，步骤二中络合剂的加入量占半导体材料氯化物或硝酸盐摩尔数0.25～2倍。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是，步骤二中络合剂为草酸、柠檬酸、柠檬酸钠、柠檬酸钾、甘氨酸、酒石酸、乙酰胺、氟化钠中的任意一种或多种的任意比例混合。其它步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是，步骤二中沉淀剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种或多种的任意比例混合。其它步骤及参数与具体实施方式一至十一之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是，步骤二中配制0.8mol/L半导体材料氯化物或硝酸盐的水溶液。其它步骤及参数与具体实施方式一至十二之一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是，步骤二中滴加到1mol/L的沉淀剂中。其它步骤及参数与具体实施方式一至十三之一相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同的是，步骤三中胶溶剂为草酸或柠檬酸。其它步骤及参数与具体实施方式一至十四之一相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同的是，步骤三中洗涤3次，然后在室温至150℃下干燥1h，得到淡黄色沉淀，再置于蒸馏水中，在70℃水浴下加入胶溶剂直至淡黄色沉淀全部溶解，然后加入分子量为2000的聚乙二醇，得到粘度为10×10^-3Pa·S的溶胶。其它步骤及参数与具体实施方式一至十五之一相同。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同的是，步骤四中采用梯度升温法进行热处理：分别在50～100℃、100～200℃、200～300℃、300～400℃、400～500℃、500～600℃下热处理0.5～1h，升温速率均为2℃/min。其它步骤及参数与具体实施方式一至十六之一相同。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一至十七之一不同的是，步骤四中在100℃下干燥后得到凝胶，此过程反复进行5次。其它步骤及参数与具体实施方式一至十七之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例：

含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，按以下步骤实现：

一、称量13.1gRuCl₃·3H₂O加入到30ml异丁醇中，然后用丙酮定容至50ml，以浸渍法在经过预处理的钛基体上涂膜，在140℃下干燥，此过程重复进行5次，然后在500℃下热处理30min，此过程重复进行5次，再在500℃下热处理2h，得到具有纳米金属氧化物中间涂层的钛基体；

二、称取0.88gSb₂O₃，加入6mL浓盐酸使之溶解，加入7.5g柠檬酸并加水至80mL，溶解后加入17.5gSnCl₄·5H₂O及Ce(NO₃)₃，(Ce/Sn原子摩尔百分比为3.3％)，溶解后定容至100mL，将配好的溶液缓慢滴加到2mol/L的氨水中，观察到白色沉淀；

三、白色沉淀静置分层后过滤，并洗涤3次，然后在室温至150℃下干燥2h，得到淡黄色沉淀，再置于蒸馏中，在90℃水浴下加入草酸直至淡黄色沉淀全部溶解，然后加入分子量为200～6000的聚乙二醇，得到粘度为10×10^-3Pa·S的溶胶；

四、将具有纳米金属氧化物中间涂层的钛基体浸渍在步骤三所得溶胶中，取出后在110℃下干燥后得到凝胶，此过程反复进行5次，然后采用梯度升温法进行热处理，再自然降温，即完成含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备。

本实施例步骤一中钛基体的预处理过程：钛基体用40目的砂纸进行打磨，直至钛基体表面呈现银白色金属光泽，然后浸泡在质量百分比含量为30％的氢氧化钠溶液中，并于90℃水浴加热3h，再用蒸馏水清洗4次，然后浸泡在质量百分比含量为10％的草酸溶液中，并于90℃水浴加热1h。

本实施例步骤四中采用梯度升温法进行热处理：分别在80℃、160℃、240℃、320℃、420℃、540℃下热处理1h，升温速率均为2℃/min。

本实施例所得含有中间层的纳米结构DSA电催化电极为Ti/Ru/Ce-SnO₂电极，与Ti/SnO₂电极相比，表面形貌如图1和2所示，可见，Ti/Ru/Ce-SnO₂电极表面光滑、致密、呈灰黑色，而Ti/SnO₂电极表面粗糙不均匀、不致密；对比后的稳定性实验结果如图3所示，可见，Ti/Ru/Ce-SnO₂电极的槽电压不会随着反应时间的延长而上升，只有当电极快失活时，槽电压才升高，表面Ti/Ru/Ce-SnO₂电极在失活前，能够提供一个稳定且低能耗的工作区间，其稳定性明显好于Ti/SnO₂电极。

本实施例Ti/Ru/Ce-SnO₂电极、Ti/SnO₂电极和Ti/Ru/SnO₂电极，进行大电流加速寿命实验，结果如表1所示，可见，Ti/Ru/Ce-SnO₂电极在电流密度为10mA·cm^-2的条件时，能够连续使用20400h，合850天，为Ti/SnO₂电极寿命的327倍，为Ti/Ru/SnO₂电极寿命的1.66倍，Ti/Ru/Ce-SnO₂电极稳定性大幅度提高，能够满足实际应用的使用寿命要求。

表1

Claims (10)

1.一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，其特征在于它按以下步骤实现：

一、配制0.01～5mol/L金属元素的氯化物或硝酸盐的醇溶液，以浸渍法或涂刷法在经过预处理的钛基体上涂膜，在60～150℃下干燥，此过程重复进行1～10次，然后在300～600℃下热处理5～30min，此过程重复进行1～15次，再在300～600℃下热处理0.5～2h，得到具有纳米金属氧化物中间涂层的钛基体；

二、配制0.01～2mol/L半导体材料氯化物或硝酸盐的水溶液，然后加入稀土元素的硝酸盐或氯化物的水溶液、SbCl₃的水溶液和络合剂，搅拌至络合剂全部溶解，再滴加到0.01～2mol/L的沉淀剂中，得到白色沉淀；

三、白色沉淀静置分层后过滤，并洗涤1～5次，然后在室温至150℃下干燥0.5～2h，得到淡黄色沉淀，再置于蒸馏中，在50～90℃水浴下加入胶溶剂直至淡黄色沉淀全部溶解，然后加入分子量为200～6000的聚乙二醇，得到粘度为1×10^-3～50×10^-3Pa·S的溶胶；

四、将具有纳米金属氧化物中间涂层的钛基体浸渍在步骤三所得溶胶中，取出后在60～150℃下干燥后得到凝胶，此过程反复进行1～10次，然后采用梯度升温法进行热处理，再自然降温，即完成含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备。

2.根据权利要求1所述的一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，其特征在于步骤一中金属元素为Ru、Ir、Sn、W、Fe、Mn中的一种或多种的任意比例混合。

3.根据权利要求1所述的一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，其特征在于步骤一中醇溶剂为乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、丙酮中的一种或多种的任意比例混合。

4.根据权利要求1所述的一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，其特征在于步骤一中钛基体的预处理过程：钛基体用40～320目的砂纸进行打磨，直至钛基体表面呈现银白色金属光泽，然后浸泡在质量百分比含量为10％～40％的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中，并于80～100℃水浴加热1～3h，再用蒸馏水清洗3～5次，然后浸泡在质量百分比含量为10％～25％的草酸、盐酸、硫酸、硝酸中的一种或两种的任意比例混合液中，并于70～100℃水浴加热1～3h。

5.根据权利要求1所述的一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，其特征在于步骤二中半导体材料为Sn、Ge、Si、Pb的半导体氧化物中的一种或两种的任意比例混合。

6.根据权利要求1所述的一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，其特征在于步骤二中络合剂为草酸、柠檬酸、柠檬酸钠、柠檬酸钾、甘氨酸、酒石酸、乙酰胺、氟化钠中的任意一种或多种的任意比例混合。

7.根据权利要求1所述的一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，其特征在于步骤二中稀土元素为LaCePrNdSmEuGdDy中的一种或多种的任意比例混合。

8.根据权利要求1所述的一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，其特征在于步骤二中沉淀剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种或多种的任意比例混合。

9.根据权利要求1所述的一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，其特征在于步骤三中胶溶剂为草酸或柠檬酸。

10.根据权利要求1所述的一种含有中间层的纳米结构DSA电催化电极的制备方法，其特征在于步骤四中采用梯度升温法进行热处理：分别在50～100℃、100～200℃、200～300℃、300～400℃、400～500℃、500～600℃下热处理0.5～1h，升温速率均为2℃/min。