CN108754580A - 一种原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢，该表面改性不锈钢板表面自组装有多孔结构的氧化薄膜，且纳米pt沉积于多孔氧化薄膜中。本发明还公开了其应用，将该表面改性不锈钢作为电极对0.1molL‑1Na2SO4溶液进行三电极测试时，该电极具有析氢电位低，电流密度大，反应阻抗小的特点，并且该电极材料的制作费用低，经济性强。

Description

一种原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢及其应用
技术领域
本发明属于不锈钢表面改性处理，具体地说是不锈钢表面自组装多孔氧化薄膜且多孔氧化薄膜中填充有纳米pt，本发明还涉及该改性不锈钢在电解实验中作为电极的应用。
背景技术
不锈钢因其价廉、抗腐蚀，目前被广泛用作加工材料。但因其表面阻抗较大，不是用作电极的理想材料，同时析氢电位高，更不适用于电解析氢的电极。因Pt析氢过电位低，性质稳定等特点，目前普遍用作电解析氢的电极材料，但造价高，经济性差。本发明是将不锈钢表面进行多孔化改性，增加比表面积，降低阻抗，然后用纳米Pt颗粒沉积多孔膜，降低析氢过电位，取得性能优良、经济性好的新型电解水析氢电极。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢及其制备方法。本发明的另一目的是将其于电解水析氢中的应用。
本发明的解决方案是通过将厚度为0.3～0.6mm不锈钢表面自组装有纳米多孔氧化薄膜，并将纳米pt沉积于多孔氧化薄膜的孔隙中获得表面改性不锈钢，将其应用于电解实验中作为电极的应用。
本发明为不锈钢板表面自组装有多孔结构的氧化薄膜，且纳米pt沉积在多孔氧化薄膜中，其中优选多孔氧化薄膜的孔径为100～200nm。
所述原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢电极包括以下步骤制备：
(1)不锈钢表面清洗，将厚度为0.3～0.6mm不锈钢板分别用无水乙醇、去离子水进行超声表面清洗后干燥处理；
(2)电极氧化，将步骤(1)表面处理后的不锈钢板作为阳极，铂片为阴极，以乙二醇和高氯酸重量比为10：1的混合溶液为电解液，在室温条件磁力搅拌，电压由0V通过阶梯上升的方式上升到40V，并且在40V电压下氧化80-150s，不锈钢电极板上形成多孔结构的氧化薄膜；
(3)干燥固化，电极氧化结束后将不锈钢板用去离子水冲洗，然后置于氮气氛围中于温度60℃下干燥2h。
(4)配制氯铂酸溶液，将氯铂酸溶于乙醇溶液中，配制成浓度为0.5mmol/L的氯铂酸溶液；
(5)浸泡，将表面自组装多孔氧化薄膜的不锈钢浸泡于步骤(1)配制的氯铂酸溶液中，并于恒定温度30～50℃下浸泡处理10～24h；
(6)高温固化，浸泡处理后，用去离子水冲洗不锈钢表面，然后在氮气氛围下于50℃～80℃固化2h。
所述步骤(2)的电压上升速率优选为1V/s，氧化时间优选为100s。
所述步骤(4)乙醇溶液优选无水乙醇与去离子水的体积比为4：1的混合溶液。
优选步骤(5)浸泡条件为在恒定温度40℃下浸泡16h。
所述步骤(6)固化温度优选60℃。
将制备的原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢作为电极应用于电解Na2SO4溶液。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明制备的改性不锈钢作为研究电极时，其电解电位低，电流密度大，反应阻抗小，且该电极材料制造费用低，经济性强，制备方法简单。
附图说明
图1是实施例1中制备的表面自组装多孔氧化薄膜的不锈钢SEM图。
图2是实施例1中制备的原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢SEM图。
图3是实施例1中制备的表面自组装多孔氧化薄膜的不锈钢和原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢的EDS图。
图4是实施例1中制备的表面自组装多孔氧化薄膜的不锈钢和原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢XRD图。
图5是电极析氢电位测定装置图。
图5附图标记说明：1为H型电解池，2为辅助Pt电极，3为隔膜，4为研究电极，5为饱和甘汞电极，6为电化学工作站，7为电脑。
图6是实施例1中三种研究电极的电流-电位曲线。
图7是实施例1中三种研究电极的在开路电压下交流阻抗谱图。
图8是实施例1中三种研究电极外加电压E为-1.2V下交流阻抗谱图。
具体实施方式
实施例1
一种原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢，按以下方法制备：
(1)将厚度为0.5mm 304不锈钢板分别用无水乙醇、去离子水进行超声表面清洗后干燥处理；
(2)电极氧化，将步骤(1)表面处理后的不锈钢板作为阳极，铂片为阴极，以乙二醇和高氯酸重量比为10：1的混合溶液为电解液，在室温条件磁力搅拌，电压由0V通过阶梯上升的方式以1V/S的速率上升到40V，，并且在40V电压下氧化100s；
(3)干燥，电极氧化结束后将不锈钢板用去离子水冲洗，然后在氮气氛围下于60℃干燥2h，获得表面自组装多孔氧化薄膜的不锈钢；
(4)配制氯铂酸溶液，将氯铂酸溶于无水乙醇与去离子水的体积比为4：1的乙醇溶液中，配制成浓度为0.5mmol/L的氯铂酸溶液；
(5)浸泡，将表面自组装多孔膜的不锈钢浸泡于步骤(1)配制的氯铂酸溶液中，并于恒定温度为40℃下浸泡处理16h；
(6)干燥固化，浸泡处理后将不锈钢用去离子水冲洗干净，然后置于氮气氛围中在60℃小件干燥2h，获得原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢。
图1为表面自组装多孔氧化薄膜的不锈钢的SEM照片，图2为原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢的SEM照片，图3和图4分别为二者EDS图和XRD图。图1和图2经对比，可以看出表面自组装多孔薄膜的孔径分布均匀，孔呈六边形蜂窝状，孔径约为150nm。原位沉积Pt后，Pt以纳米颗粒形态分布在不锈钢纳米多孔膜上。从图3中可以看出表面自组装多孔薄膜的不锈钢的成分为Fe、Cr、Mn、Ni、C、Si，为304不锈钢的基本成分，沉积Pt后电极表面有Pt元素存在。从图4中可以看出原位沉积纳米Pt后，有明显的Pt单质元素存在。
将制备的原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢作为电极应用于电解Na2SO4溶液，具体步骤如下：测试采用H型电解池，如图5，将制备的原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢、表面自组装多孔氧化薄膜的不锈钢及金属pt分别作为研究电极，分别将这三种电极切割，封装成面积0.2826cm-2圆形，辅助电极为Pt电极，带盐桥的饱和甘汞电极为参比电极。
采用线性扫描曲线测定电极析氢电位，应用电位从0V到-2V，扫描速率为20mVs-1，电解液为0.1molL-1Na2SO4溶液。交流阻抗测定频率范围为100mHz-100kHz，交流扰动电位为10mV。
图6为三种研究电极的电流-电位曲线，图7和图8分别为三种研究电极在开路电压下交流阻抗谱图和外加电压E为-1.2V下交流阻抗谱图。
从图6中可以看出原位沉积纳米Pt的表面改性不锈钢电极的析氢电位为-1.0V，低于Pt电极的析氢电位-1.08V，远远低于表面自组装多孔氧化薄膜的不锈钢电极的析氢电位-1.45V，同时在同一电压下，原位沉积纳米Pt的表面改性不锈钢电极的电流高于Pt电极和表面自组装多孔氧化薄膜的不锈钢电极。
从图7可以看出，在开路电位下，Pt电极阻抗圆弧半径远远大于原位沉积的表面改性不锈钢电极的半径，说明原位沉积的表面改性不锈钢电极比Pt电极的电荷传递阻抗值小，利于电荷传递和表面反应进行。从图8可以看出，在施加偏压-1.2V后，通过上述电解电位表明，此电压下两种电极都发生的析氢反应，所以阻抗都明显减小，但同样原位沉积纳米Pt的表面改性不锈钢电极阻抗值小于Pt电极，说明原位沉积纳米Pt的表面改性不锈钢电极优于Pt电极。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明精神的基础之下，本领域普通技术人员可以对本发明的技术方案做出的各种修改和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢，其特征在于：不锈钢板表面自组装有多孔结构的氧化薄膜，且纳米pt沉积在多孔氧化薄膜中。
2.根据权利要求1所述的原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢，其特征在于：所述多孔氧化薄膜的孔径为100～200nm。
3.根据权利要求1所述的原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢，其特征在于由以下步骤制备：
(1)不锈钢表面清洗，将厚度为0.3～0.6mm不锈钢板分别用无水乙醇、去离子水进行超声表面清洗后干燥处理；
(2)电极氧化，将步骤(1)表面处理后的不锈钢板作为阳极，铂片为阴极，以乙二醇和高氯酸重量比为10：1的混合溶液为电解液，在室温条件磁力搅拌，电压由0V通过阶梯上升的方式上升到40V，并且在40V电压下氧化80～150s，不锈钢电极板上形成多孔结构的氧化薄膜；
(3)干燥固化，电极氧化结束后将不锈钢板用去离子水冲洗，然后置于氮气氛围中于温度60℃下干燥2h后获得表面自组装多孔氧化薄膜的不锈钢；
(4)配制氯铂酸溶液，将氯铂酸溶于乙醇溶液中，配制成浓度为0.5mmol/L的氯铂酸溶液；
(5)浸泡，将步骤(3)制备的表面自组装多孔氧化薄膜的不锈钢板浸泡于步骤(4)配制的氯铂酸溶液中，并于恒定温度30～50℃下浸泡处理10～24h；
(6)高温固化，浸泡处理后，用去离子水冲洗不锈钢板表面，然后在氮气氛围下于50℃～80℃固化2h。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的电压上升速率为1V/s。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中的氧化时间为100s。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述的乙醇溶液为无水乙醇与去离子水的体积比为4：1混合而成。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述的浸泡工艺为在40℃下浸泡16h。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(6)中所述的固化温度为60℃。
9.根据权利要求1～8任一项所述的原位沉积纳米pt的表面改性不锈钢于电解析氢实验中作为电极的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：电解溶液为Na2SO4溶液。
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