爆炸復(fù)合Pt/Ti電極的電化學(xué)性能

韓吉慶,邢 健,趙 濤,馬小龍

(西安諾博爾稀貴金屬材料有限公司,西安 710201)

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爆炸復(fù)合Pt/Ti電極的電化學(xué)性能

韓吉慶,邢 健,趙 濤,馬小龍

(西安諾博爾稀貴金屬材料有限公司,西安 710201)

Pt/Ti電極作為一種優(yōu)良的耐腐蝕復(fù)合材料，被廣泛應(yīng)用于海洋工業(yè)、氯堿工業(yè)及電子工業(yè)。根據(jù)鉑層厚度及性能的差異，電鍍與爆炸復(fù)合工藝均被廣泛應(yīng)用于Pt/Ti復(fù)合電極的工業(yè)化生產(chǎn)。采用SEM對爆炸復(fù)合Pt/Ti電極的表面及擴(kuò)散層形貌進(jìn)行了研究；采用PARSTAT4000型電化學(xué)分析儀對爆炸復(fù)合Pt/Ti電極試樣的極化曲線(Tafel 曲線)及循環(huán)伏安特性曲線(CV 曲線)進(jìn)行了測試，對比了電鍍工藝Pt/Ti電極的電化學(xué)性能。結(jié)果表明,Pt/Ti復(fù)合電極的表面形貌對其電化學(xué)活性具有重要影響，爆炸復(fù)合工藝制備的Pt/Ti電極表面十分致密，沿著軋制方向具有明顯的加工流線，抗腐蝕性能較佳；電鍍工藝制備的Pt/Ti復(fù)合電極表面鉑層呈顆粒狀分布，增大了與溶液的實際接觸面積，表面活性較好。

Pt/Ti復(fù)合電極；爆炸復(fù)合；表面形貌；界面；電化學(xué)性能

鉑金屬作為一種理想的惰性電極材料，在侵蝕性介質(zhì)中具有優(yōu)良的抗腐蝕性能及化學(xué)穩(wěn)定性[1]，考慮到生產(chǎn)成本因素，通常將純鉑與鈦、鉭、鈮等閥性金屬(“rectifier” metals)進(jìn)行復(fù)合，制備復(fù)合材料。在海洋環(huán)境或腐蝕性液體環(huán)境中，當(dāng)鉑層出現(xiàn)孔洞時，這類金屬基體在極化電流的作用下會生成一層致密的氧化膜，阻止了金屬基體的進(jìn)一步腐蝕[2-4]。

相對于鉭、鈮等金屬,鈦具有價格優(yōu)勢，因此Pt/Ti復(fù)合電極得到了廣泛的應(yīng)用。研究者們應(yīng)用了各種加工方法制備Pt/Ti復(fù)合電極，并對不同工藝Pt/Ti復(fù)合電極的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。目前Pt/Ti復(fù)合電極主要的制備工藝有：電鍍、化學(xué)氣相沉積、爆炸復(fù)合及磁控濺射等。

張玉萍等[5]采用三電極體系測定了純鉑電極和鍍鉑電極的穩(wěn)態(tài)陽極極化曲線。結(jié)果表明：鍍鉑電極的析氧電位較高，活性較好。

丁昊東[6]研究了化學(xué)鍍鉑前后，鈦基體在濃度為0.5 mol/L H2SO4溶液中的循環(huán)伏安曲線，并和純鉑的電化學(xué)性能進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：鈦基鍍鉑電極氫的兩對吸、脫附峰不如鉑片明顯，但是峰電流值顯著增大，主要原因是化學(xué)沉積的鉑金屬層呈現(xiàn)顆粒聚集的形態(tài)，其實際表面積要比純鉑金屬大的多，所以反應(yīng)活性好。

Igumenov[7]等研究了CVD法制備的Pt/Ti復(fù)合電極在人造海水(NaCl 31 g/L,Na2SO43 g/L)中的電腐蝕穩(wěn)定性，工作表面為4.15 cm2,其中輔助電極為鈦片電極，參比電極為AgCl電極，電極的電流密度為960 A/m2。

潘建躍[8]用CH1600A型電化學(xué)分析儀測定了電鍍鉑及磁控濺射鉑的循環(huán)伏安特性曲線。鍍鉑的鈦陽極面積為5 mm×5 mm。此試驗的電位掃描區(qū)間大致為-1.0～0.4 V，電位在-0.8 V時的電流峰歸因于氫的吸附，電位在0.15 V時的電流峰歸因于氧的吸附。兩對極峰的對稱性均較差，表明可逆性不佳。同時由于試驗所用磁控濺射鉑的晶粒度達(dá)到了納米級別，其實際表面積較電鍍鉑電極大，因此其電催化反應(yīng)較電鍍鉑更加活潑。本工作采用爆炸復(fù)合加軋制方法制備了Pt/Ti復(fù)合電極，并采用SEM、電化學(xué)試驗等方法研究了其性能，并與電鍍工藝制備的Pt/Ti電極相比較。

1　試驗

1.1試驗材料

利用爆炸復(fù)合加軋制工藝制備Pt/Ti復(fù)合電極，成品鉑層厚度大約30 μm，然后用線切割在成品板材上取10 mm×10 mm的正方形試樣若干。

1.2試驗

對爆炸復(fù)合Pt/Ti電極加工態(tài)試樣的表面形貌、爆炸界面及電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。通過JSM-6460型掃描電鏡對Pt/Ti電極的表面形貌及擴(kuò)散層進(jìn)行分析；同時用PARSTAT4000型電化學(xué)分析儀對Pt/Ti復(fù)合電極的極化曲線(Tafel 曲線)及循環(huán)伏安特性曲線(CV)進(jìn)行了測試。試驗溶液為室溫下的0.5 mol/L的H2SO4溶液，電解池采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極(SCE),輔助電極為石墨電極；極化曲線的起始電壓為-0.5 V，終止電壓為1.5 V，掃描速率5 mV/s；CV曲線電位掃描區(qū)間為-0.3～1.8 V，掃描速率為20 mV/s。文中電位若無特指,均相對于SCE。

2　結(jié)果與討論

2.1擴(kuò)散層形貌

圖1為電鍍及爆炸復(fù)合Pt/Ti電極試樣的鉑層形貌，電鍍鉑層呈顆粒狀分布，與溶液的實際接觸面積相對較大，表面活性好；爆炸復(fù)合鉑層表面致密性較好，且沿軋制方向有明顯的加工流線。

(a)　電鍍工藝 (b)　爆炸復(fù)合工藝圖1　不同工藝Pt/Ti電極鉑層的SEM形貌Fig. 1　SEM morphology of Pt layer on Pt/Ti electrodes prepared by electroplating method (a) and explosive combination method (b)

爆炸復(fù)合Pt/Ti電極界面的結(jié)合情況對其使用壽命具有重要影響，爆炸復(fù)合界面是由周期性的熔化結(jié)合和直接結(jié)合組成的[9]。圖2為爆炸復(fù)合Pt/Ti電極擴(kuò)散層的表面形貌。由圖2(a)可見,擴(kuò)散層不明顯，鉑層厚度約為20～30 μm；由圖2(b)可見,鉑、鈦兩種金屬為冶金結(jié)合，但是擴(kuò)散層分布并不均勻，部分區(qū)域出現(xiàn)擴(kuò)散層缺失現(xiàn)象；擴(kuò)散層厚度大約為2 μm。

(a)　宏觀 (b)　微觀圖2　爆炸復(fù)合Pt/Ti電極擴(kuò)散層宏觀和微觀形貌Fig. 2　Macro (a) and micro (b) morphology of the interfaces of Pt/Ti electrode prepared by explosive combination method

2.2極化曲線(Tafel曲線)

圖3為爆炸復(fù)合Pt/Ti電極在0.5 mol/L H2SO4溶液中的Tafel曲線，由圖可知Pt/Ti電極試樣陰極極化曲線的斜率大于陽極極化曲線的斜率，表明在與H2SO4溶液的電極反應(yīng)過程中，Pt/Ti電極的腐蝕速率受陰極析氫反應(yīng)控制[10]。

圖3　爆炸復(fù)合Pt/Ti電極在0.5 mol/L H2SO4溶液中的極化曲線Fig. 3　Polarization curves of Pt/Ti composite electrode prepared by explosive combination method in 0.5 mol/L H2SO4 solution

2.3循環(huán)伏安曲線

圖4為爆炸復(fù)合Pt/Ti電極在0.5 mol/LH2SO4溶液中的循環(huán)伏安曲線(CV)。

圖4　爆炸復(fù)合Pt/Ti電極的循環(huán)伏安曲線Fig. 4　CV curve of Pt/Ti electrode prepared by explosive combination method in 0.5 mol/L H2SO4

從圖4可以看出，Pt/Ti電極在-0.25 V時，陰極電流峰(表現(xiàn)為H的吸附)高于陽極電流峰(表現(xiàn)為H脫附)，但峰型較窄；圖5為電鍍Pt/Ti電極在0.5 mol/L H2SO4溶液中的循環(huán)伏安曲線(CV)[6]，在電極電位為-0.2 V處，出現(xiàn)了明顯的對稱峰，為H的吸附、解附，且可逆性較好。另一對稱峰為氧的吸附、解附，可逆性較差。

圖5　電鍍Pt/Ti電極在H2SO4溶液中的循環(huán)伏安曲線Fig. 5　CV curve of Pt/Ti electrode prepared by electroplating method in 0.5 mol/L H2SO4

爆炸復(fù)合Pt/Ti電極的鉑層活性相對電鍍鉑層較低，表現(xiàn)為H電流峰的峰型較窄，對稱性較差；且僅有氧陰極電流的吸附峰，未見陽極電流的解附電流峰。電鍍鉑層的表面形貌為顆粒狀分布，和溶液的實際接觸面積較爆炸復(fù)合鉑層大得多，因此活性較好。爆炸復(fù)合鉑層在H2SO4溶液中陽極電流氧解附電流峰的缺失，表明了其具有更加優(yōu)異的抗腐蝕性能，因為在0.5～5 mol/L的H2SO4溶液中，陽極極化產(chǎn)生鉑氧化層，在陰極極化電流的作用下會使鉑層產(chǎn)生腐蝕[11]。

3　結(jié)論

(1) 爆炸復(fù)合Pt/Ti電極表面具有明顯的加工流線，且鉑、鈦兩種金屬為冶金結(jié)合，擴(kuò)散層厚度大約為2 μm。

(2) 相對于電鍍Pt/Ti電極，爆炸復(fù)合鉑層的表面活性較差，但抗腐蝕性能較為優(yōu)異。

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Electrochemical Behavior of Pt/Ti Electrodes Prepared by Explosive Combination Method

HAN Ji-qing, XING Jian, ZHAO Tao, MA Xiao-long

(Xi′an Noble Rare Metal Materials Co., Ltd., Xi′an 710201, China)

Pt/Ti electrodes as an excellent anti-corrosion complex material are wildly used for marine and underground cathodic protection, chemistry industry and electronic industry. According to the thickness and morphology of Pt layer, explosive combination and electroplating methods are used for fabricating Pt/Ti electrodes. The electrochemical properties of Pt/Ti electrodes prepared by explosive combination method were investigated, the morphology and interface were studied by scanning electron microscopy. The results show that the morphology of Pt layer played an important role in the electrochemical properties of Pt/Ti electrodes. The surface of Pt/Ti electrode prepared by explosive combination method was dense. There were obvious machining lines along the rolling direction on the surface of Pt/Ti electrodes prepared by explosive combination method, which improved the self-corrosion potentials. But Pt layer on the particle suface of Pt/Ti electrode prepared by electroplating method distributed as particles and owed relatively good surface activity.

platinized titanium electrodes; explosive combination; surface morphology; interface; electrochemical property

2014-12-17

韓吉慶(1974-),高級工程師,碩士,從事稀貴金屬深加工方面的研究,13572833585,13572833585@139.com

10.11973/fsyfh-201512006

TG171

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1005-748X(2015)12-1143-03