CN112981450A - 一种钛基氧化铱电极、其电化学制备方法及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛基氧化铱电极，其基底为钛金属，表层为氧化铱层；所述氧化铱层为0.5‑1μm的大小较为均一的微米片堆叠形成的，其比表面积为200‑300m2/g，所述氧化铱为非晶态。本发明还公开了所述钛基氧化铱电极的制备方法及用途。

Description

一种钛基氧化铱电极、其电化学制备方法及用途
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种尺寸稳定的钛基氧化铱电极、其电化学制备方法及用途。
背景技术
钛金属因其具有良好的导电性和耐腐蚀性，是一种常用的催化剂载体。目前，已有大量研究表明钛基铱氧化物IrOx/Ti电极在诸多电化学工程领域，如电催化氧化、生物医学应用、湿法冶金金属回收、电渗脱水等都显示出较好的应用潜力。钛基铱氧化物IrOx/Ti电极在酸性电解水中催化析氧反应(Oxygen Revolution,OER)具有优异的活性和稳定性。钛基金属氧化物涂层电极又被称为尺寸稳定性阳极(Dimensionally Stable Anode，DSA)，其传统制备方法主要以热分解法和溶胶-凝胶法为主。
热分解法制备DSA阳极的基本过程是将金属的盐类溶于水溶液或者有机溶剂中，通过喷涂、刷涂、滚涂、浸涂等方法涂覆在Ti基底的表面，然后在含氧气气氛中低温(略高于溶剂的挥发温度)蒸发溶剂，最后在300-600℃下焙烧，使Ti基底上的金属盐类氧化分解，重复此过程，直至氧化物涂层达到所需要的厚度。热分解法工艺简单、成本较低。但是得到的电极表面容易产生大量裂纹，在一定程度上影响到涂层的耐蚀性，同时涂层的尺寸难以控制；其次，热分解温度偏高导致涂液损失较为严重，同时容易引起Ti基底的氧化；最后，制备出的催化剂涂层不均匀，容易发生某些组元的偏析。
溶胶-凝胶法是另一种DSA常用制备方法。其制备的基本过程是将一些易水解的金属化合物(如金属醇盐或无机盐)作为前驱体溶于溶剂中，扩散形成均匀溶液，溶质与溶剂产生水解反应或缩聚反应，生成物聚集成纳米级的粒子形成溶胶，将溶胶涂覆到Ti基材表面，经凝胶化及干燥处理后再较低温下氧化分解，得到所需的氧化物涂层。采用溶胶凝胶法制备的金属氧化物涂层往往纯度均匀度较高。但缺点是，凝胶涂覆在基材的表面过程中往往需要添加一定的表面活性剂或粘接剂，这势必在一定程度上阻碍电极表面活性位点的暴露，阻碍Ti与电解质溶液的接触与传质，导致产生额外的接触电阻，从而影响电极的OER活性和稳定性。
热分解法和溶胶-凝胶法制备的涂层都是间接涂覆在载体上，这就导致涂层与基底的作用力、稳定性及导电性在一定程度上受到影响。
为解决上述问题提出本发明。
发明内容
本发明提供一种的尺寸稳定性和形貌可控的钛基铱氧化物IrOx/Ti电极、其电化学制备方法及用途。
本发明的技术方案如下：
本发明第一方面公开了一种钛基氧化铱电极，其基底为钛金属，表层为氧化铱层；所述氧化铱层为0.5-1μm的大小较为均一的微米片堆叠形成的，其比表面积为200-300m2/g，所述氧化铱为非晶态。
优选地，所述氧化铱层中的氧化铱中铱和氧的摩尔比大于1/2；即IrOx/Ti中的x小于2。
优选地，所述钛基氧化铱电极的电化学活性面积大于900m2g-1。
优选地，所述钛基氧化铱电极的电化学活性面积为977.1m2g-1。
本发明第二方面公开了所述钛基氧化铱电极的制备方法，包括如下步骤：
①将可溶铱化合物溶于酸中，然后用碱调节pH值至9～11得到电解液；
②用Ti金属作为阳极，采用循环伏安法电沉积步骤①得到的电解液一段时间后，即得到所述的钛基氧化铱电极。电解时间可以根据需要确定。
优选地，步骤①所述可溶铱化合物为IrCl3、K2IrCl6、K3IrCl6、IrCl4或H2IrCl6中一种；所述酸为草酸、盐酸或硝酸中的一种；所述可溶铱化合物中的铱与酸中氢离子的摩尔比为(0.5-4)：10；所述碱为碳酸钾、碳酸氢钾或氢氧化钾中一种。
优选地，步骤②循环伏安法电沉积之前需要将电解液老化水解至少1h。
优选地，步骤②循环伏安法电沉积的对电极是石墨电极或钛电极、参比电极是饱和甘汞电极；循环伏安的扫描范围电压下限为-1.5～0.2V，电压上限为0～1.8V，扫描速率为5～500mV/s，扫描圈数为10～500r。
优选地，循环伏安的扫描范围电压下限为-0.85～-0.2V，电压上限是0.2～1.0V，扫描速率为25～100mV/s，扫描圈数为10～250r。以上电位均相对于饱和甘汞电极。
本发明第三方面公开了所述钛基氧化铱电极用于电极的用途。
本发明的有益效果：
1、本发明的钛基氧化铱电极的表层氧化铱尺寸稳定且形貌可控，与基底的结合紧密，在受机械力、热或外界其他条件作用下，其热膨胀系数较小，维持外形尺寸不变的能力较强；且表层氧化铱层致密无明显裂纹，表面积粗糙，比表面积大。而现有技术的热分解法和溶胶-凝胶法制备的表层氧化铱层表面光滑、比表面积小、裂纹较多。
2、本发明的钛基氧化铱电极的表层氧化铱中的铱和氧的摩尔比大于1/2，即表面氧化铱层中的铱化合价态是升高的，且表层氧化铱为非晶态，因此电极活性的增强。而现有技术的热分解法和溶胶-凝胶法制备的表层氧化铱层呈现出明显晶态的金红石相的IrO2。
3、本发明的钛基氧化铱电极的电化学活性面积大于900m2g-1，可以达到977.1m2g-1。由于本发明的钛基氧化铱电极的氧化铱层表面粗糙，比表面积大，有利于活性位点的暴露，提高电荷转移速率。而现有技术的热分解法和溶胶-凝胶法制备得到的表层氧化铱层表面光滑、比表面积小(一般为：60-100m2/g)，表面裂纹较多，不利于活性位点的暴露，电化学活性面积仅为46.8m2g-1；且表面裂纹较多导致基底暴露，不利于活性与稳定性的提高。
4、本发明的钛基氧化铱电极在0.1M的HClO4酸性电解质中催化OER活性优异。当电流密度达到10mA/cm2时，反应过电势仅为250mV；而现有技术的钛基氧化铱电极的过电势一般为280-350mV。且本发明的钛基氧化铱电极性能稳定，在0.1M的HClO4酸性电解质中OER中、在电流密度为10mA/cm2和50mA/cm2处依次连续电解190h后析氧反应过电位涨幅低于10％，电极催化性能基本不变。而现有技术的热分解法和溶胶-凝胶法制备得到的表层氧化铱层在同样条件下电位涨幅高于25％。
5、本发明的钛基氧化铱电极的制备方法采用循环伏安法电沉积的方法，通过在外电场作用下，将电解液中低价态离子氧化成高价态，在阳极基底Ti上直接沉积形成金属氧化物膜、或将电解液中高价态金属离子还原成低价态，在阴极基底上直接沉积形成金属膜或氧化物膜，从而获得均匀而致密的镀层。
6、本发明的制备方法循环伏安法电沉积操作简单，为首次报道。
附图说明
图1为本发明的钛基氧化铱电极制备方法流程图。
图2为实施例1制备得到钛基氧化铱电极(a)和对比例热分解法制备得到的钛基氧化铱电极(b)SEM图。
图3为实施例1制备得到钛基氧化铱电极(a)和对比例热分解法制备得到的钛基氧化铱电极(b)的X射线衍射图谱。
图4为实施例1制备得到钛基氧化铱电极(a)和对比例热分解法制备得到的钛基氧化铱电极(b)的X射线光电子能谱。
图5为实施例1制备得到钛基氧化铱电极(a)和对比例热分解法制备得到的钛基氧化铱电极(b)的线性伏安扫描曲线图。
图6为实施例1制备得到钛基氧化铱电极(a)和对比例热分解法制备得到的钛基氧化铱电极(b)的电流差对扫描速率的变化曲线，其中斜率Cdl代表电化学活性面积。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
实施例1
按图1所示的方法流程图进行钛基氧化铱电极的制备。
将IrCl3溶于草酸中，IrCl3中的铱与草酸中氢离子的摩尔比为1:10，然后用碳酸钾调节pH值至10.0，得到电解液；得到的电解液老化水解10小时后，用Ti金属作为阳极，采用循环伏安法电沉积得到的电解液1小时后，即得到所述的钛基氧化铱电极。对电极是石墨电极、参比电极是饱和甘汞电极。循环伏安的电压扫描范围是-0.85-1.0V(相对于饱和甘汞电极)，扫描速率为50mV/s，扫描圈数是50r。
对比例
将20mg的IrCl3加入10ml无水乙醇中搅拌直至溶解，得到黄色溶液，随后缓慢滴加0.5-1ml的36％HCl并继续搅拌12h，得到红棕色溶胶。用移液枪吸取固定的溶液量，为0.1ml/次，并将其滴涂在预处理过后的新鲜钛片上。随后将钛片放入干燥箱干燥10min，再放入500℃马弗炉中焙烧10min。待钛片冷却后称量其氧化铱涂层负载量。若负载量未达到实施例1负载量，则按照上述步骤继续滴涂、干燥和焙烧，直至负载量与实施例1负载量相当。最后，将负载的钛片在马弗炉中持续焙烧1h，即得到钛基氧化铱电极。
图2为实施例1制备得到钛基氧化铱电极(a)和对比例热分解法制备得到的钛基氧化铱电极(b)的SEM图。由图2可以看出，实施例1得到的基氧化铱电极(a)表层氧化铱层在微米尺度范围内致密无明显裂纹，表面积粗糙，比表面积大，为240m2/g。对比例制备得到的钛基氧化铱电极(b)表面光滑、比表面积小为80m2/g、在微米尺度范围内裂纹较多。
图3为实施例1制备得到钛基氧化铱电极(a)和对比例热分解法制备得到的钛基氧化铱电极(b)的X射线衍射图谱。由图3可以看出，实施例1得到的基氧化铱电极(a)铱和氧的摩尔比大于1/2，且为非晶态。而对比例制备得到的钛基氧化铱电极(b)呈现出明显晶态的金红石相的IrO2。
图4为实施例1制备得到钛基氧化铱电极(a)和对比例热分解法制备得到的钛基氧化铱电极(b)的X射线光电子能谱。由图4可以看出，实施例1制备得到的基氧化铱电极(a)对应的Ir的4f峰位置向更高结合能处偏移，表明本方法制备得到的钛基氧化铱电极的表面氧化铱层中的铱化合价态是升高的。而对比例制备得到的钛基氧化铱电极(b)表面氧化铱层中的铱化合价态不变。
图5为实施例1制备得到钛基氧化铱电极(a)和对比例热分解法制备得到的钛基氧化铱电极(b)的线性伏安扫描曲线图。由图5可以看出，在不同电流密度下电极催化反应所需的电位是不同的，因此能耗也不同。当电流密度为10mAcm-2时，实施例1制备的钛基氧化铱电极(a)所需电位仅为1.482V，过电位仅为250mV；而对比例制备得到的钛基氧化铱电极(b)需要更高电位为1.556V，过电位为328mV。当电流密度为50mAcm-2时，实施例1制备的钛基氧化铱电极(a)所需电位仅为1.542V，过电位为312mV；而对比例制备得到的钛基氧化铱电极(b)需要更高电位为1.661V，过电位为433mV。这说明实施例1制备得到的钛基氧化铱电极阳极在电解水催化析氧反应过程中，于同等电流密度下能耗更低，性能优越，远超对比例制备得到的钛基氧化铱电极阳极。
图6为实施例1制备得到钛基氧化铱电极(a)和对比例热分解法制备得到的钛基氧化铱电极(b)的电流差对扫描速率的变化曲线，其中斜率Cdl代表电极的双电层电容，该值与电极的电化学活性面积呈正相关趋势，直接反映了电化学活性面积的大小。由图6可以看出，实施例1制备的钛基氧化铱电极(a)的双电层电容Cdl为372.6mFcm-2，对应电化学活性面积为977.1m2g-1。而对比例制备得到的钛基氧化铱电极(b)的双电层电容Cdl为26.2mFcm-2，对应电化学活性面积为46.8m2g-1。这说明传统热分解法与实施例1制备方法得到的钛基氧化铱电极物理结构存在很大区别，其中实施例的钛基氧化铱电极的电化学活性面积远超对比例是钛基氧化铱电极，见图6。由此可知，实施例1方法对于合成具有粗糙比表面、丰富的电化学活性位点的高性能钛基氧化铱电极是十分有利的。【注】在不同扫速下对电极进行循环伏安扫描，将得到CV曲线取电流差对扫速作图得到的直线的斜率代表双电层电容Cdl。该值的大小即反映了电极的电化学活性面积(ECSA)大小，即斜率越大则电化学活性面积越大，电极表面活性物质暴露的越多，反应活性越好。ECSA由下述公式计算：
Figure BDA0002938593390000061
其中，Cdl代表电极双电层电容；C*为酸性体系下金属电极的一般比电容0.035mFcm-2；L为钛基底表面氧化铱涂层负载量。
实施例1制备得到的钛基氧化铱电极的ECSA由计算如下：其中Cdl为372.6mFcm-2，L为11gm-2，C*为0.035mFcm-2。代入计算得到实施例1的ECSA为977.1m2g-1。同样，对比例制备得到的钛基氧化铱电极的ECSA为46.8m2g-1。
将实施例1和对比例制备得到的钛基氧化铱电极分别在0.1M的HClO4酸性电解质中催化OER，结果如下：
当电流密度为10mA/cm2时，实施例1制备得到的钛基氧化铱电极反应所需电位为1.482V(vs RHE)，对应的过电位仅为250mV；而对比例制备得到的钛基氧化铱电极的过电势一般超过300mV。在上述0.1M的HClO4酸性电解质中催化OER，在电流密度为10mA/cm2和50mA/cm2处分别连续电解190h后，实施例1制备得到的钛基氧化铱电极的析氧反应过电位涨幅低于10％，电极催化性能基本不变。而对比例制备得到的钛基氧化铱电极在同样条件下电位涨幅高达25％。
实施例2
按图1所示的方法流程图进行钛基氧化铱电极的制备。
将将IrCl3溶于草酸中，IrCl3中的铱与草酸中氢离子的摩尔比为1:10，然后用碳酸钾调节pH值至10.0，得到电解液；得到的电解液老化水解70小时后，用Ti金属作为阳极，采用循环伏安法电沉积得到的电解液1小时后，即得到所述的钛基氧化铱电极。对电极是石墨电极、参比电极是饱和甘汞电极。循环伏安的电压扫描范围是-0.85-1.0V(相对于饱和甘汞电极)，扫描速率为50mV/s，扫描圈数是50r。
实施例2得到的钛基氧化铱电极在0.1M的HClO4酸性电解质中催化OER的结果如下：当电流密度为10mA/cm2时，反应所需电位为1.493V(vs RHE)，对应过电位为262mV；当电流密度为50mA/cm2时，反应所需电位为1.612V(vs RHE)，对应过电位为382mV。经测试，电化学活性面积870.3m2g-1。
实施例3
按图1所示的方法流程图进行钛基氧化铱电极的制备。
将将IrCl3溶于草酸中，IrCl3中的铱与草酸中氢离子的摩尔比为1:10，然后用碳酸钾调节pH值至10.0，得到电解液；得到的电解液老化水解140小时后，用Ti金属作为阳极，采用循环伏安法电沉积得到的电解液1小时后，即得到所述的钛基氧化铱电极。对电极是石墨电极、参比电极是饱和甘汞电极。循环伏安的电压扫描范围是-0.85-1.0V(相对于饱和甘汞电极)，扫描速率为50mV/s，扫描圈数是50r。
实施例3得到的钛基氧化铱电极在0.1M的HClO4酸性电解质中催化OER的结果如下：当电流密度为10mA/cm2时，反应所需电位为1.501V(vs RHE)，对应过电位为271mV；当电流密度为50mA/cm2时，反应所需电位为1.624V(vs RHE)，对应过电位为394mV。经测试，电化学活性面积650.7m2g-1。
实施例4
按图1所示的方法流程图进行钛基氧化铱电极的制备。
将将IrCl3溶于草酸中，IrCl3中的铱与草酸中氢离子的摩尔比为1:10，然后用碳酸钾调节pH值至10.0，得到电解液；得到的电解液老化水解10小时后，用Ti金属作为阳极，采用循环伏安法电沉积得到的电解液4小时后，即得到所述的钛基氧化铱电极。对电极是石墨电极、参比电极是饱和甘汞电极。循环伏安的电压扫描范围是-0.85-1.0V(相对于饱和甘汞电极)，扫描速率为50mV/s，扫描圈数是200r。
实施例4得到的钛基氧化铱电极在0.1M的HClO4酸性电解质中催化OER的结果如下：当电流密度为10mA/cm2时，反应所需电位为1.468V(vs RHE)，对应过电位为238mV；当电流密度为50mA/cm2时，反应所需电位为1.514V(vs RHE)，对应过电位为284mV。经测试，电化学活性面积748.1m2g-1。
尽管这里已经出于说明的目的描述了本发明的特定实施方案，但是在不悖于本发明的情况下，细节上的诸多变化对于本领域的技术人员来说是显而易见的。

Claims (10)

1.一种钛基氧化铱电极，其特征在于，其基底为钛金属，表层为氧化铱层；所述氧化铱层为0.5-1μm的大小较为均一的微米片堆叠形成的，其比表面积为200-300m2/g，所述氧化铱为非晶态。
2.根据权利要求1所述钛基氧化铱电极，其特征在于，所述氧化铱层中的氧化铱中铱和氧的摩尔比大于1/2。
3.根据权利要求1所述钛基氧化铱电极，其特征在于，所述钛基氧化铱电极的电化学活性面积大于900m2g-1。
4.根据权利要求3所述钛基氧化铱电极，其特征在于，所述钛基氧化铱电极的电化学活性面积为977.1m2g-1。
5.一种根据权利要求1-4任一所述钛基氧化铱电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
①将可溶铱化合物溶于酸中，然后用碱调节pH值至9～11得到电解液；
②用Ti金属作为阳极，采用循环伏安法电沉积步骤①得到的电解液一段时间后，即得到所述的钛基氧化铱电极。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤①所述可溶铱化合物为IrCl3、K2IrCl6、K3IrCl6、IrCl4或H2IrCl6中一种；所述酸为草酸、盐酸或硝酸中的一种；所述可溶铱盐中的铱与酸中氢离子的摩尔比为(0.5-4)：10；所述碱为碳酸钾、碳酸氢钾或氢氧化钾中一种。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤②循环伏安法电沉积之前需要将电解液老化水解至少1h。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤②循环伏安法电沉积的对电极是石墨电极或Ti电极、参比电极是饱和甘汞电极；所述循环伏安的扫描范围电压下限为-1.5～0.2V，电压上限为0～1.8V，扫描速率为5～500mV/s，扫描圈数为10～500r。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述循环伏安的扫描范围电压下限为-0.85～-0.2V，电压上限是0.2～1.0V，扫描速率为25～100mV/s，扫描圈数为10～250r。
10.一种根据权利要求1-4任一所述钛基氧化铱电极用于电极的用途。
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