CN110937664A - 一种钛基亚氧化钛电极的制备方法 - Google Patents

一种钛基亚氧化钛电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种钛基亚氧化钛电极的制备方法,所述方法采用溅射法在钛基底上制备二氧化钛层,再将二氧化钛层还原为亚氧化钛层,制得亚氧化钛电极;所述方法步骤如下:(1)钛片的表面清洁;(2)钛基TiO2层电极的制备;(3)钛基Ti4O7层电极的制备。本发明方法制备Ti4O7层电极的工艺步骤简单,易于实现;制备的Ti4O7层的均匀性较好,通过调节工艺参数控制制备工艺,工艺稳定性较高,工艺重复性好。通过降解模拟有机废水,测试制备的钛基亚氧化钛电极的电化学氧化活性,测试结果表明,制备的钛基亚氧化钛电极具有较高的电化学氧化活性。

Description

一种钛基亚氧化钛电极的制备方法
技术领域
本发明涉及一种钛基亚氧化钛电极的制备方法,属电化学技术领域。
背景技术
印染行业和造纸行业污水中含有大量有机物,这些有机物在自然条件下难以降解,有机污水的直接排放会严重破坏生态环境。有机污水的处理需要将有机物转化为无机物或易降解物,高效降解有机物是有机污水处理的发展趋势。
电化学氧化法是一种处理有机污水的方法,其是通过将有机物在阳极表面氧化分解达到降解有机物的目的,电化学氧化法降解有机物的效率与阳极材料有关,合适的阳极材料具有高的降解效率。亚氧化钛Ti4O7是一种电化学氧化阳极材料,其具有较高的电导率和较高的析氧电位,这使得Ti4O7电极的电化学氧化活性和有机物降解效率较高。此外,Ti4O7电极具有较高的耐腐蚀性,这使得Ti4O7电极的使用寿命较长。因此,Ti4O7电极是一种较理想的电化学氧化阳极材料。
在制备Ti4O7电极过程中,常规方法是先制备TiO2粉体,然后将TiO2粉体还原为Ti4O7粉体,再将Ti4O7粉体制成Ti4O7电极。
现有技术制备Ti4O7电极的工艺步骤较多,均匀性较差,且工艺难控制,工艺稳定性较低。
发明内容
本发明的目的是,针对常规方法制备Ti4O7电极工艺存在的问题,本发明公开一种钛基亚氧化钛电极的制备方法。
本发明实现的技术方案如下, 一种钛基亚氧化钛电极的制备方法,所述方法采用直流溅射法在钛基底上制备二氧化钛层,再将二氧化钛层还原为亚氧化钛层,制得亚氧化钛电极。
一种钛基亚氧化钛电极的制备方法,步骤如下:
(1)钛片的表面清洁:将钛片裁剪后,在砂纸上打磨15min,去除钛片表面的脏物和氧化物;后将钛片放入乙醇中超声清洗30min,然后将钛片在60℃,真空干燥2h;
(2)钛基TiO2层电极的制备:采用气相法在钛片表面制备TiO2层;将清洗后的钛片放在气相法装置的阳极上,阴极为纯钛;利用机械真空泵抽真空至5Pa,后通过分子泵抽真空至10-4Pa;后加热阳极钛片至340-360℃,向装置中通入氩气,开启电源清洗阴极纯钛15min,去除阴极纯钛表面氧化物;后向装置中通入氧气,在合适的氧气与氩气流量比范围、气压范围和功率范围条件下,制备2.5-3.5 h,在阳极钛片表面制得TiO2层;
(3)钛基Ti4O7层电极的制备:采用还原法将钛片表面的TiO2层还原为Ti4O7层;将制备的钛基TiO2层电极放在还原法装置阴极上,利用机械真空泵抽真空至5Pa,后向装置中通入氢气,在合适的氢气流量范围、气压范围和功率范围条件下,将阴极钛基TiO2层还原25-35min,制得钛基Ti4O7层电极。
所述气相法为直流溅射法。
所述还原法为直流等离子体还原法。
所述方法步骤(2)中,合适的氧气与氩气流量比范围为(1∶19)-(1∶13);气压范围为0.7-0.9Pa;功率范围110-130 W。
所述方法步骤(3)中,合适的氢气流量范围为180-220mL/min;气压范围为11-13kPa;功率范围为4-5kW。
本发明的有益效果如下:本发明方法制备Ti4O7层电极的工艺步骤简单,易于实现;制备的Ti4O7层的均匀性较好,通过调节工艺参数控制制备工艺,工艺稳定性较高,工艺重复性好。通过降解模拟有机废水,测试制备的钛基亚氧化钛电极的电化学氧化活性,测试结果表明,制备的钛基亚氧化钛电极具有较高的电化学氧化活性。
附图说明
图1为本发明实施例为制备的钛基亚氧化钛电极电化学氧化降解苯酚时化学耗氧量随时间变化曲线;
图2为本发明钛基亚氧化钛电极的制备方法流程图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图2流程所示。
实施例1
将钛片裁剪后,在砂纸上打磨15min,去除钛片表面的脏物和氧化物。后将钛片放入无水乙醇中超声清洗30min,然后将钛片在60℃真空干燥2h。
采用直流溅射法在钛片表面制备TiO2层。将清洗后的钛片放在直流溅射装置的阳极上,阴极为纯钛,利用机械真空泵抽真空至5Pa,后通过分子泵抽真空至10-4Pa。然后加热阳极钛片至350℃,向装置中通入氩气,开启电源清洗阴极纯钛15min,去除阴极纯钛表面的氧化物。后向装置中通入氧气,氧气与氩气的流量比为1∶16,调节气压为0.8Pa,制备功率为120W,制备时间为3h,在阳极钛片表面制得TiO2层。
采用直流等离子体还原法将钛片表面的TiO2层还原为Ti4O7层,将制备的钛基TiO2层电极放在直流等离子体装置阴极上,利用机械真空泵抽真空至5Pa,后向装置中通入氢气,氢气流量为200mL/min,调节气压至12kPa,还原功率为4.5kW,还原时间为30min,制得钛基Ti4O7层电极。
测试制备的钛基亚氧化钛电极的电化学氧化活性:
配置苯酚溶液,将其作为模拟有机废水,用于测试制备的钛基亚氧化钛电极的电化学氧化活性。
苯酚溶液中苯酚的浓度为100mg/L,硫酸钠的浓度为14.2g/L。在钛基亚氧化钛电极电化学氧化苯酚溶液过程中,测试苯酚溶液化学耗氧量随时间变化曲线,化学耗氧量高低对应苯酚溶液中苯酚浓度的高低。
测试结果如附图1所示,当电流密度为1.5mA/cm2时,苯酚溶液的初始化学耗氧量为223mg/L,3h后苯酚溶液的化学耗氧量为36mg/L,苯酚的去除率为83.9%,这说明制备的钛基亚氧化钛电极的电化学氧化活性较高。
实施例2
将钛片裁剪后,在砂纸上打磨15min,去除钛片表面的脏物和氧化物。后将钛片放入无水乙醇中超声清洗30min,然后将钛片在60℃真空干燥2h。
采用直流溅射法,在钛片表面制备TiO2层。将清洗后的钛片放在直流溅射装置的阳极上,阴极为纯钛,利用机械真空泵抽真空至5Pa,后通过分子泵抽真空至10-4Pa。然后加热阳极钛片至360℃,向装置中通入氩气,开启电源清洗阴极纯钛15min,去除阴极纯钛表面的氧化物。后向装置中通入氧气,氧气与氩气的流量比为1∶19,调节气压为0.9Pa,制备功率为110W,制备时间为2.5h,在阳极钛片表面制得TiO2层。
采用直流等离子体还原法,将钛片表面的TiO2层还原为Ti4O7层,将制备的钛基TiO2层电极放在直流等离子体装置阴极上,利用机械真空泵抽真空至5Pa,后向装置中通入氢气,氢气流量为220mL/min,调节气压至13kPa,还原功率为5kW,还原时间为25min,制得钛基Ti4O7层电极。
测试制备的钛基亚氧化钛电极的电化学氧化活性:
配置苯酚溶液,将其作为模拟有机废水,用于测试制备的钛基亚氧化钛电极的电化学氧化活性。
苯酚溶液中苯酚的浓度为100mg/L,硫酸钠的浓度为14.2g/L。在钛基亚氧化钛电极电化学氧化苯酚溶液过程中,测试苯酚溶液化学耗氧量随时间变化曲线,化学耗氧量高低对应苯酚溶液中苯酚浓度的高低。
当电流密度为1.5mA/cm2时,苯酚溶液的初始化学耗氧量为223mg/L,3h后苯酚溶液的化学耗氧量为33mg/L,苯酚的去除率为85.2%,这说明制备的钛基亚氧化钛电极的电化学氧化活性较高。
实施例3
将钛片裁剪后,在砂纸上打磨15min,去除钛片表面的脏物和氧化物。后将钛片放入无水乙醇中超声清洗30min,然后将钛片在60℃真空干燥2h。
采用直流溅射法在钛片表面制备TiO2层。将清洗后的钛片放在直流溅射装置的阳极上,阴极为纯钛,利用机械真空泵抽真空至5Pa,后通过分子泵抽真空至10-4Pa。然后加热阳极钛片至340℃,向装置中通入氩气,开启电源清洗阴极纯钛15min,去除阴极纯钛表面的氧化物。后向装置中通入氧气,氧气与氩气的流量比为1∶13,调节气压为0.7Pa,制备功率为130W,制备时间为3.5h,在阳极钛片表面制得TiO2层。
采用直流等离子体还原法将钛片表面的TiO2层还原为Ti4O7层,将制备的钛基TiO2层电极放在直流等离子体装置阴极上,利用机械真空泵抽真空至5Pa,后向装置中通入氢气,氢气流量为180mL/min,调节气压至11kPa,还原功率为4kW,还原时间为35min,制得钛基Ti4O7层电极。
测试制备的钛基亚氧化钛电极的电化学氧化活性:
配置苯酚溶液,将其作为模拟有机废水,用于测试制备的钛基亚氧化钛电极的电化学氧化活性。
苯酚溶液中苯酚的浓度为100mg/L,硫酸钠的浓度为14.2g/L。在钛基亚氧化钛电极电化学氧化苯酚溶液过程中,测试苯酚溶液化学耗氧量随时间变化曲线,化学耗氧量高低对应苯酚溶液中苯酚浓度的高低。
当电流密度为1.5mA/cm2时,苯酚溶液的初始化学耗氧量为223mg/L,3h后苯酚溶液的化学耗氧量为38mg/L,苯酚的去除率为83%,这说明制备的钛基亚氧化钛电极的电化学氧化活性较高。

Claims (5)

1.一种钛基亚氧化钛电极的制备方法,其特征在于,所述方法采用直流溅射法在钛基底上制备二氧化钛层,再将二氧化钛层还原为亚氧化钛层,制得亚氧化钛电极;所述方法步骤如下:
(1)钛片的表面清洁:将钛片裁剪后,在砂纸上打磨15min,去除钛片表面的脏物和氧化物;后将钛片放入乙醇中超声清洗30min,然后将钛片在60℃,真空干燥2h;
(2)钛基TiO2层电极的制备:采用气相法在钛片表面制备TiO2层;将清洗后的钛片放在气相法装置的阳极上,阴极为纯钛;利用机械真空泵抽真空至5Pa,后通过分子泵抽真空至10-4Pa;后加热阳极钛片至340-360℃,向装置中通入氩气,开启电源清洗阴极纯钛15min,去除阴极纯钛表面氧化物;后向装置中通入氧气,在合适的氧气与氩气流量比范围、气压范围和功率范围条件下,制备2.5-3.5 h,在阳极钛片表面制得TiO2层;
(3)钛基Ti4O7层电极的制备:采用还原法将钛片表面的TiO2层还原为Ti4O7层;将制备的钛基TiO2层电极放在还原法装置阴极上,利用机械真空泵抽真空至5Pa,后向装置中通入氢气,在合适的氢气流量范围、气压范围和功率范围条件下,将阴极钛基TiO2层还原25-35min,制得钛基Ti4O7层电极。
2.根据权利要求1所述的一种钛基亚氧化钛电极的制备方法,其特征在于,所述气相法为直流溅射法。
3.根据权利要求1所述的一种钛基亚氧化钛电极的制备方法,其特征在于,所述合适的氧气与氩气流量比范围为(1∶19)-(1∶13);气压范围为0.7-0.9Pa;功率范围110-130 W。
4.根据权利要求1所述的一种钛基亚氧化钛电极的制备方法,其特征在于,所述还原法为直流等离子体还原法。
5.根据权利要求1所述的一种钛基亚氧化钛电极的制备方法,其特征在于,所述合适的氢气流量范围为180-220mL/min;气压范围为11-13kPa;功率范围为4-5kW。
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