הכנת אנודת PbO2 מרוכבת בין שכבתית
מדוע לפתח את אנודת טיטניום מצופה PbO2 המרוכבת?
מנקודת המבט של עיכוב דרגת הפסיבציה של מטריצת האנודה מצופה טיטניום ושיפור פוטנציאל היתר של התפתחות חמצן האנודה, אלקטרודת עופרת דו-חמצנית (PbO2) מבוססת טיטניום עם שכבת ביניים מרוכבת המכילה Ta2O5-TiO2 ו-SnO2- Sb2O5 הוכן בשיטת פירוק תרמי. המורפולוגיה, מבנה הפאזה, הרכב היסודות והמאפיינים הכימיים של אנודת העופרת דו-חמצנית של השכבה המרוכבת ואנודת העופרת דו-חמצנית של שכבת הביניים sno2-sb2o5 נותחו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני סורק, עקיפה של קרני רנטגן וספקטרום אנרגיה . התוצאות מראות שחיי השירות של האנודה הבין-שכבתית המרוכבת ארוכים משמעותית מזה של האנודה הבין-שכבתית sno2-sb2o5, ויש לה פוטנציאל יתר של התפתחות חמצן ועמידות בפני קורוזיה. אלקטרודת העופרת הדו-חמצנית (PbO2) מבוססת טיטניום עם השכבה המרוכבת של Ta2O5-TiO2 ו-SnO2-Sb2O5 היא אנודת אבולוציה חמצן מבטיחה מאוד בסביבה חומצית.
לאנודת טיטניום מצופה PbO2 יש פעילות אלקטרוקטליטית טובה ופוטנציאל יתר גבוה של התפתחות חמצן. היא מוכרת כיום כאנודה המיוחדת החסכונית ביותר לאבולוציה של חמצן בסביבה של pH פחות מ-8 או שווה ל-8. יש לה סיכויי יישום רחבים בהידרופטלורגיה, טיפול בשפכים אורגניים, ציפוי אלקטרוליטי תעשייתי ותעשיות אחרות.
למרות שאנודת ציפוי PbO2 מבוססת Ti יש יציבות טובה בסביבה של pH נמוך מ-8 או שווה ל-8, עדיין קיימות בעיות כמו נפילת ציפוי ופסיבציה של האנודה. לאור הסיבות לעיל ומנגנון הנטרול של אנודת טיטניום מצופה PbO2, יש לצפות להוסיף שכבת מעבר Ta2O5-TiO2 בין מצע הטיטניום לציפוי PbO2, שיכולה למנוע חדירת חמצן לתוך מצע הטיטניום , המצביע על כך שלא ניתן ליצור TiO2 ויש לו מוליכות טובה, מה שמשפר את חיי האנודה. המחקר מראה כי בנוסף לפלטינה, פלטינה טיטניום ומתכות יקרות אחרות, בשכבת הביניים העמידה לחמצן יש גם Ta2O5-TiO2 ו-SnO2-Sb2O5. לתחמוצת זו יחס ביצועים גבוה בעלות והפעילות מקבילה לזו של מתכות מקבוצת פלטינה. לכן, מנקודת המבט של עיכוב הפסיבציה של מטריצת טיטניום ושיפור פוטנציאל היתר וחיי התפתחות חמצן האנודה, זהו רעיון חדש להכין את האלקטרודה המרוכבת PbO2 של Ta2O5-TiO2 ו-SnO2- Sb2O5 בשיטת פירוק תרמי.
הכנת אלקטרודת עופרת דו-חמצנית בשכבה האמצעית של השכבה המרוכבת
מערבבים את תמיסת מלח הטנטלום וטטרבוטיל טיטנאט בפרופורציה מסוימת, דלל אותו ב-n-בוטנול לריכוז מסוים, ונער אותו היטב יותר משעה אחת. מצפים באופן שווה את רשת הטיטניום שטופלה מראש במברשת, יבשו אותה בתנור ייבוש של 100 מעלות למשך 10 דקות, ולאחר מכן הכניסו אותה לתנור מופלט של 500-600 מעלות לחמצון בטמפרטורה גבוהה למשך 10 דקות. חזור על פעולה זו 5 פעמים (החמצון האחרון למשך 30 דקות) כדי לחמצן לחלוטין את הציפוי. לאחר מכן מערבבים את תמיסת המלח של הפח ותמיסת המלח של האנטימון בפרופורציה מסוימת, מדללים אותה ב-n-בוטנול ואיזופרופנול לריכוז מסוים, מנערים אותה היטב ומניחים אותה למשך יותר משעה. מצפים באופן שווה את רשת הטיטניום שעברה טיפול מוקדם במברשת, יבשו אותה בתנור ייבוש של 100 מעלות למשך 10-15דקות, ולאחר מכן הכניסו אותה לתנור מופלט של 500-600 מעלות לחמצון בטמפרטורה גבוהה למשך 10-15 דקה חזור על פעולה זו 3 פעמים (החמצון האחרון למשך 30 דקות) כדי לחמצן לחלוטין את הציפוי. כלומר, מכינים את שכבת הביניים המרוכבת.
הכינו ריכוז מסוים של תמיסת חנקתי עופרת עם מים מופחתים, חממו את תמיסת החנקת עופרת לכ-60 מעלות, הוסיפו כמות מסוימת של תמיסת נתרן הידרוקסיד, ערבבו במלואו, וצלו אלקטרופלייט עם זרם מסוים להכנת -PbO2.
הכינו ריכוז מסוים של תמיסת חנקתי עופרת עם מים מופחתים, הוסיפו כמות מסוימת של תוספים וחומצה חנקתית, כוונו את ה-pH של התמיסה, חממו אותה לטמפרטורה מסוימת, ערבבו אותה במלואה, וערכו ציפוי חשמלי בזרם מסוים להכנה - PbO2.
בדיקות ומסקנות משופרות לכל החיים
באמצעות אספקת חשמל מיוצב מתח מתכוונן sk-520, האלקטרודה המוכנה משמשת כאנודה, לוחית הטיטניום הטהורה משמשת כקתודה, ומרווח האלקטרודות נשמר ב-20 מ"מ. נבדק בתנאים.
איור 1, עקומת הקשר בין מתח התא וזמן האלקטרוליזה כאשר שונה
שכבות ביניים עוברות אלקטרוליזה באותו המדיום
ניתן לראות באיור 1 שבאותם תנאי אלקטרוליזה, מתח התא של שתי האלקטרודות החל לרדת, אך לאחר אלקטרוליזה במשך תקופה, מתח התא היה במצב מיוצב, ולבסוף מתח התא עלה בחדות עד שהאלקטרודה לא הייתה פעילה. איור 1 מראה בבירור שחיי השירות של אלקטרודת העופרת הדו-חמצנית מבוססת טיטניום של שכבת הביניים המרוכבת של Ta2O5-TiO2 ו-SnO2-Sb2O5 הם פי שניים משכבת הביניים SnO2-Sb2O5 אֶלֶקטרוֹדָה. זה מראה שהכנסת שכבת ביניים מרוכבת שיפרה משמעותית את חיי האלקטרודה. הסיבה היא: בתהליך האלקטרוליזה, עקב חדירת אלקטרוליט חומצי למטריצה, וחלק מהחמצן הנוצר בתהליך האלקטרוליזה נספג על פני האלקטרודה ומתפזר או נודד באופן רציף אל מטריצת הטיטניום, הוא נספג על גבי משטח האלקטרודה. פני השטח של מצע טיטניום דרך הסדקים של הציפוי הפעיל, המגיב עם מטריצת הטיטניום כדי ליצור TiO2 לא מוליך, מה שהופך את המוליכות של האלקטרודה גרועה יותר, מה שמוביל לפסיבציה של ציפוי האנודה ולכשל של האנודה. עם זאת, עם תוספת של Ta2O5-TiO2 ו-SnO2-Sb2O5, שכבת הביניים המרוכבת צפופה יחסית ובעלת דיפוזיות טובה. הוא מכוסה באופן שווה על פני מצע טיטניום, מה שמקשה על חדירת אלקטרוליט אל פני השטח של מצע טיטניום. הדיפוזיה של מיני חמצן תגובתיים המשקעים במהלך האלקטרוליזה למצע טיטניום נחסמת, ובכך משפרת את עמידות הקורוזיה של הציפוי לתמיסה ומונעת היווצרות של סרט תחמוצת TiO2. לפיכך, חיי השירות של האנודה מתארכים.
