輔助電極制作Ti納米電極的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電極制作技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用IrO2輔助電極制作Ti納米電極的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代末，具有極大的理論和應(yīng)用價(jià)值，納米材料被稱為“21世紀(jì)最有前途的材料”。納米材料通常是指在三維空間中至少有一維的尺度處于納米尺度范圍(I?10nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成具有不同于常規(guī)材料理化性質(zhì)的材料。在金屬Ti表面制備的納米結(jié)構(gòu)，具有比表面積大、不發(fā)生光腐蝕、耐酸性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、對(duì)生物無(wú)毒害作用等優(yōu)點(diǎn)，故而引起人們極大的研究興趣。自Fujishima等發(fā)現(xiàn)二氧化鈦單晶電極能光分解水以來(lái)，二氧化鈦光催化技術(shù)得到了廣泛的研究與應(yīng)用，主要應(yīng)用在光電催化、顏料敏化太陽(yáng)能電池、自清潔、光解水、儲(chǔ)能等領(lǐng)域。
[0003]目前常用的制備鈦納米電極的方法有水熱法、模板法和陽(yáng)極氧化法等。其中水熱法合成納米打02需要在高溫高壓條件下完成，因而對(duì)材質(zhì)和安全要求較嚴(yán)格，且設(shè)備復(fù)雜，成本較高。模板法可以大量制備規(guī)則且形貌可控的納米、微米材料，但其生成物對(duì)模板依賴性高，同時(shí)還受模板形貌的限制，工藝復(fù)雜，重現(xiàn)性比較差。陽(yáng)極氧化法是合成納米材料的重要方法，形成的納米管排列整齊有序，可通過(guò)改變陽(yáng)極電位、電解液、氧化時(shí)間等條件得到不同尺寸和形貌的納米管陣列。
[0004]在陽(yáng)極氧化法制作納米電極方面，已經(jīng)有以鉑片作輔助電極，在一定濃度氫氟酸電解液中，采用電化學(xué)陽(yáng)極氧化法制備出了 Ti納米電極；還有利用石墨板作陰極，以NaF、Na2SOjP H2SOj^混合溶液等作電解質(zhì)，制作Ti納米電極。這些方法都存在納米電極在高溫條件下易剝落，效果不穩(wěn)定等問(wèn)題。許多學(xué)者對(duì)于納米電極的制作進(jìn)行了研究，而在納米電極的制作過(guò)程中，還未發(fā)現(xiàn)使用貴金屬IrO2作為輔助電極即陰極來(lái)制作納米電極的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種采用IrO2輔助電極制作Ti納米電極的方法，使用以貴金屬IrO2電極作為輔助電極制作Ti納米電極，在一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)槽中來(lái)制作Ti納米電極，無(wú)需其他輔助的處理裝置。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種采用IrO2輔助電極制作Ti納米電極的方法，使用以貴金屬IrO 2電極作為輔助電極制作Ti納米電極，在一個(gè)電解槽中來(lái)制作Ti納米電極，無(wú)需其他輔助的處理裝置；具體包括如下步驟:
[0008]步驟1:用100?180目的砂紙打磨Ti極板；
[0009]步驟2:將打磨好的Ti極板，用去離子水超聲清洗20?40分鐘；
[0010]步驟3:將超聲清洗后的Ti極板吹干待用；
[0011]步驟4:采用恒壓陽(yáng)極氧化法處理電極，陽(yáng)極氧化采用的電源為直流穩(wěn)壓電源；具體為:采用&02電極為輔助電極即陰極，采用步驟3吹干后的Ti極板為工作電極即陽(yáng)極，在乙酸溶液中加入占乙酸溶液質(zhì)量0.0l?0.10%的氫氟酸形成的混合液作為電解液，在設(shè)定的氧化電壓10?60V條件下，氧化30?180分鐘；在陽(yáng)極的表面會(huì)形成微觀納米管結(jié)構(gòu)，其電極表面納米管形成的原理是:1)在施加電壓的瞬間，陽(yáng)極表面附近的水電離產(chǎn)生O2，其反應(yīng)式為下式(I)，同時(shí)鈦快速溶解，陽(yáng)極電流增大產(chǎn)生大量Ti4+，其反應(yīng)式為下式
(2)，產(chǎn)生的Ti4+與O2迅速反應(yīng)，其反應(yīng)式為下式(3)，在鈦表面形成致密的氧化鈦?zhàn)钃鯇樱?br>2)電解液中的F在電場(chǎng)的作用下，迀移至陽(yáng)極附近，與氧化鈦?zhàn)钃鯇影l(fā)生化學(xué)作用形成可溶性的TiF62，其反應(yīng)式為下式(4)，致使氧化鈦?zhàn)钃鯇颖砻嫘纬刹灰?guī)則的凹痕；隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，凹痕逐漸發(fā)展成孔核，孔核在場(chǎng)致和化學(xué)溶解作用下成為小孔，小孔的密度不斷增加，最后均勻分布在Ti極板表面形成有序結(jié)構(gòu)；3)當(dāng)氧化鈦?zhàn)钃鯇酉蜮伝淄七M(jìn)的速度與孔底氧化層的溶解速度相等時(shí)，孔的長(zhǎng)度不再增加，最終形成獨(dú)立有序的Ti納米管結(jié)構(gòu)；整個(gè)過(guò)程發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下:
[0012]H20 —2H++02 (I)
[0013]T1-4e —Ti4+(2)
[0014]Ti4++202 — T1 2 (3)
[0015]Ti02+6F +4H+— TiF 62 +2H20 (4)
[0016]步驟5:待反應(yīng)完成后將形成的具有納米管形貌的Ti極板取出，去離子水超聲清洗后，再干燥即得到成品Ti納米電極。
[0017]步驟I所述Ti極板中鈦含量為99.0?99.9%，厚度為0.1?1mm。
[0018]步驟I所述Ti極板形狀為板狀、網(wǎng)狀、圓筒形或線狀，根據(jù)需要而定。
[0019]步驟4所使用的電解槽的形狀為圓柱形或四方柱形，陽(yáng)極和陰極置于電解槽中，陽(yáng)極和陰極間用高分子離子交換膜隔開(kāi)，使電解槽成為多槽形式；或陽(yáng)極和陰極間不放置高分子離子交換膜，使電解槽成為單槽形式。
[0020]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0021](I)采用陽(yáng)極氧化方式，通過(guò)使用&02電極作輔助電極，在陽(yáng)極氧化過(guò)程中促進(jìn)鈦極板的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，能有效的形成納米級(jí)的納米孔，最終在Ti極板表面形成10?10nm的納米孔，并且能有效的減少納米管的坍塌。
[0022](2)所有處理在單一的反應(yīng)裝置中完成。
[0023](3)反應(yīng)器制作簡(jiǎn)單、操作方便，成本低。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為未處理Ti材料表面結(jié)構(gòu)。
[0025]圖2為實(shí)施例1制作的Ti納米電極表面結(jié)構(gòu)。
[0026]圖3為實(shí)施例2制作的Ti納米電極表面結(jié)構(gòu)。
[0027]圖4為實(shí)施例3制作的Ti納米電極表面結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]實(shí)施例1
[0030]本實(shí)施例一種采用IrO2輔助電極制作Ti納米電極的方法，采用Ti電極為工作電極，1抑2電極為輔助電極，含有氫氟酸的乙酸溶液作電解液，制作Ti納米電極。
[0031](I)Ti極板預(yù)處理:本發(fā)明采用的Ti極板，鈦含量為99.95%，厚度為0.5mm，尺寸為15cmX5cm。首先用150目的金相砂紙打磨Ti極板，直至表面無(wú)劃痕；然后用去離子水清洗，超聲30分鐘；最后再用吹風(fēng)機(jī)吹干待用。
[0032](2)恒壓陽(yáng)極氧化法制備Ti納米電極:采用Ti極板為陽(yáng)極，IrO2電極為陰極，將配制的乙酸溶液(冰醋酸與水體積比為1:10)300mL放入電解槽中，加入占乙酸溶液質(zhì)量0.05%的氫氟酸形成混合液作電解液，在25V電壓下氧化60分鐘，將Ti極板取出，去離子水超聲清洗10分鐘，干燥后即得到Ti納米電極。步驟I得到的Ti電極與步驟2得到的Ti納米電極的圖像如圖1和圖2所示。由圖可知，未處理的Ti極板表面粗糙、不規(guī)則，而得到的Ti納米電極表面形成的膜層致密，管徑大小分布均勻。
[0033]實(shí)施例2
[0034]本實(shí)施例Ti極板的預(yù)處理和Ti納米電極的制作方法基本同實(shí)施例1，所不同的是以占乙酸溶液質(zhì)量0.05wt%氫氟酸的乙酸溶液(冰醋酸與水體積比為1:10) 10mL作電解液，在45V電壓下氧化90分鐘。得到的Ti納米電極的圖像如圖3所示，從圖中可以看到Ti納米電極表面形成了具有一定形貌較規(guī)則的納米孔。
[0035]實(shí)施例3
[0036]本實(shí)施例Ti極板的預(yù)處理和Ti納米電極的制作方法如例I，所不同的是以占乙酸溶液質(zhì)量0.10wt%氫氟酸的乙酸溶液(冰醋酸與水體積比為1:10) 10mL作電解液，在25V電壓下氧化120分鐘。得到的Ti納米電極的圖像如圖4所示，可以看出Ti納米電極表面形成的納米孔排列整齊，孔徑大小均勻。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種采用IrO2輔助電極制作Ti納米電極的方法，其特征在于:使用以貴金屬IrO2電極作為輔助電極制作Ti納米電極，在一個(gè)電解槽中來(lái)制作Ti納米電極，無(wú)需其他輔助的處理裝置；具體包括如下步驟: 步驟1:用100?180目的砂紙打磨Ti極板； 步驟2:將打磨好的Ti極板，用去離子水超聲清洗20?40分鐘； 步驟3:將超聲清洗后的Ti極板吹干待用； 步驟4:采用恒壓陽(yáng)極氧化法處理電極，陽(yáng)極氧化采用的電源為直流穩(wěn)壓電源；具體為:采用1抑2電極為輔助電極即陰極，采用步驟3吹干后的Ti極板為工作電極即陽(yáng)極，在乙酸溶液中加入占乙酸溶液質(zhì)量0.01?0.10%的氫氟酸形成的混合液作為電解液，在設(shè)定的氧化電壓10?60V條件下，氧化30?180分鐘；在陽(yáng)極的表面會(huì)形成微觀納米管結(jié)構(gòu)，其電極表面納米管形成的原理是:1)在施加電壓的瞬間，陽(yáng)極表面附近的水電離產(chǎn)生O2，其反應(yīng)式為下式(1)，同時(shí)鈦快速溶解，陽(yáng)極電流增大產(chǎn)生大量Ti4+，其反應(yīng)式為下式(2)，產(chǎn)生的Ti4+與O2迅速反應(yīng)，其反應(yīng)式為下式(3)，在鈦表面形成致密的氧化鈦?zhàn)钃鯇樱?)電解液中的F在電場(chǎng)的作用下，迀移至陽(yáng)極附近，與氧化鈦?zhàn)钃鯇影l(fā)生化學(xué)作用形成可溶性的TiF62，其反應(yīng)式為下式(4)，致使氧化鈦?zhàn)钃鯇颖砻嫘纬刹灰?guī)則的凹痕；隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，凹痕逐漸發(fā)展成孔核，孔核在場(chǎng)致和化學(xué)溶解作用下成為小孔，小孔的密度不斷增加，最后均勻分布在Ti極板表面形成有序結(jié)構(gòu)；3)當(dāng)氧化鈦?zhàn)钃鯇酉蜮伝淄七M(jìn)的速度與孔底氧化層的溶解速度相等時(shí)，孔的長(zhǎng)度不再增加，最終形成獨(dú)立有序的Ti納米管結(jié)構(gòu)；整個(gè)過(guò)程發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下: H2O — 2H++02(I) T1-4e —Ti4+(2) Ti4++202 — T12(3)Ti02+6F +4H+— TiF 62 +2H20 (4) 步驟5:待反應(yīng)完成后將形成的具有納米管形貌的Ti極板取出，去離子水超聲清洗后，再干燥即得到成品Ti納米電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用IrO2輔助電極制作Ti納米電極的方法，其特征在于:步驟I所述Ti極板中鈦含量為99.0?99.9%，厚度為0.1?1mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用IrO2輔助電極制作Ti納米電極的方法，其特征在于:步驟I所述Ti極板形狀為板狀、網(wǎng)狀、圓筒形或線狀，根據(jù)需要而定。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用IrO2輔助電極制作Ti納米電極的方法，其特征在于:步驟4所使用的電解槽的形狀為圓柱形或四方柱形，陽(yáng)極和陰極置于電解槽中，陽(yáng)極和陰極間用高分子離子交換膜隔開(kāi)，使電解槽成為多槽形式；或陽(yáng)極和陰極間不放置高分子離子交換膜，使電解槽成為單槽形式。
【專利摘要】一種采用IrO2輔助電極制作Ti納米電極的方法，步驟如下：1、用100～180目的砂紙打磨Ti極板；2、將打磨好的Ti極板，用去離子水超聲清洗20～40分鐘；3、將超聲清洗后的Ti極板吹干待用；4、采用IrO2電極為輔助電極即陰極，采用步驟3吹干后的Ti極板為工作電極即陽(yáng)極，在乙酸溶液中加入占乙酸溶液質(zhì)量0.01～0.10％的氫氟酸形成的混合液作為電解液，在設(shè)定的氧化電壓10～60V條件下，氧化30～180分鐘；在陽(yáng)極的表面會(huì)形成微觀納米管結(jié)構(gòu)；5、待反應(yīng)完成后將形成的具有納米管形貌的Ti極板取出，去離子水超聲清洗后，再干燥即得到成品Ti納米電極；使用以貴金屬IrO2電極作為輔助電極制作Ti納米電極，在一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)槽中來(lái)制作Ti納米電極，無(wú)需其他輔助的處理裝置。
【IPC分類】C25D11/26, B82Y40/00, C25D17/10
【公開(kāi)號(hào)】CN105040068
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510358231
【發(fā)明人】李淼, 劉翔, 王樂(lè)樂(lè)
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年6月25日