1. הקדמה דו תחמוצת העופרת

עם הפיתוח המתמשך של התעשייה והמדע והטכנולוגיה, חומרים אנפית מסורתיים מראים יותר ויותר את המגבלות שלהם. לדוגמה, עלות הפלטינה גבוהה מדי; עמידות קורוזיה של גרפיט בתעשיית הכלאו-אלקלי ומערכת אבולוציה החמצן אינה אידיאלית, והכוח הואנמוךהסגסוגת מובילה אנודס יש עמידות קורוזיה נמוכה, ביצועים אלקטרוקטליטיים נמוך, צריכת חשמל גדולה. מתוך הדרישות של "חומרים ירוקים" כגון חיסכון באנרגיה, הפחתת צריכה ומזהמים, אנשים מקווים למצוא אנודות חדשים עם חיים ארוכים, ביצועי אלקטרוכימי גבוהה וללא זיהום משני. תחת הסביבה של האבולוציה חמצן, אנשים פיתחו את האלקטרודה הדו חמצני העופרת (PbO₂): תרכובת שאינה סטויכולמטרית, שאינה מכילה חמצן והיא כוללת הובלה מוגזמת. יש לו צורות גביש מרובות,באמצעות התצהיר של האנאודה כדי לייצר את הβ-PbO₂, אשר החמצון, עמידות בקורוזיה (יציבות גבוהה בחומצה חזקה גבוה₂S0₄או HN0₃), גבוהה יתר חמצן, מוליכות חשמלית טובה, כוח מחייב חזק, חמצון חזק יכולת כאשר אלקטרותית בתמיסה מימית, יכול לדובזרם גדול, וכו '. כיום, נעשה שימוש נרחב בתחומי החשמל, ההיתוך, טיפול בשפכים וכו ', ולא ניתן להחליפו בחומרים אחרים של אלקטרודה (כגון DSA, עופרת, טיטניוםציפוי עם פלטינה).

1.1 הפניה לעופרת דו-חמצניתאופייני

היא משמשת רבות בהכנה אלקטרוטית של חומרים אורגניים שונים ובתהליך של טיפול בשפכים והכנת מים בטוהר גבוה,טווח היישומים רחב.Pb02 יש את היתרונות של מוליכות חשמלית מעולה, מטען טוב והפיכה לשחרור, ומחיר נמוך. היא משמשת רבות כאלקטרודה חיובית עבור סוללות עופרת-חומצה. כיום, שיעור הניצול של דו תחמוצת העופרת, החומר הפעיל החיובי של סוללות עופרת חומצה, הוא לא גבוה, ובדרך כלל לא עולה על 50%. פוטנציאל אבולוציה החמצן גבוה, בדרך כלל 1.75 v (ביחס לאלקטרודה קאלומל), ויש לו כוח מפחית חזקשלהשפלהעבור מריומיכל ברוגנץחומר(בקלה).

1.2 השכבה התחתונה של אנודת עופרת דו-חמצני

החומרים המשמשים כיום כשכבה התחתונה הם: מתכות הקבוצה פלטינה ותחמוצות שלהם, בדיל אנטימון תחמוצת, אירידיום טנטלום מרוכבים התחתון תחמוצת השכבות, וכו ', המאפיינים שלהם הם כדלקמן: (1) הקבוצה פלטינה מתכות ותחמוצות שלהם: השכבה התחתונהhכמו מוליכות חשמלית טובה, אשר יכול לשפר במידה ניכרת את ביצועי המליטה של הציפוי ואת המצע. (2) בדיל אנטימון תחמוצת: שכבת בדיל אנטימון תחמוצת מושגת על ידי שיטת הפירוק תרמית הוא צפוף ואחיד. עם הרובד הזה, קשה לאלקטרוליט לחדור את משטח טיטניום, אטומי חמצן או 02-. גם הדיפוזיה של יונים לתוך מטריצת הטיטניום חסומה, ובכך נמנעת מהיווצרות Ti02. בנוסף, Ti02 הוא מוליך למחצה מסוג N-הפער רחב. לאחר הסמים עם Sb, האלקטרון הנוסף בסריג Sn02 החליף את האטום הפנטנטי בסריג Sn02 עם אלקטרון נוסף הנכנס לרצועת ההולכה, אשר הגדיל מאוד את הריכוז אלקטרון בלהקת ההולכה. עם זאת, כאשר Sb הוא יותר מדי, את דרגת ההפרעה של הסריג sn02 יהיה גדל, ואת המוליכות החשמלית של sn02 יהיה מופחת. לכן, התוכן של ה-Sb קשור לעליונות ולנחיתות של הביצועים הבסיסיים. השכבה התחתונה יש גם את ההשפעה של הפחתת הלחץ הפנימי של ציפוי. (3) טיטניום-טנטלום שכבת התחתונה תחמוצת מרוכבים: זו שכבה בתחתית יש את המאפיינים של מוליכות טובה, עמידות קורוזיה טובה, ופעילות אלקטרוכימי נמוכה. גם אם השכבה התחתונה נחשפת במהלך התהליך האלקטרוליזה, לא מתרחשת תגובה אלקטרוטית, ולכן אין בעיה ששכבת הציפוי מתקלפת בשל כך.

1.3 שכבה פעילה של פני השטחשל עופרתדו-חמצני 

השכבה הפעילה של פני-השטח PbO2 מוכנה בדרך כלל על-ידי שיטת הסיג. יש שני צורות גביש, α ו β, ו-β-PbO2 יש עמידות קורוזיה טובה מוליכות חשמלית, והוא משמש בדרך כלל כמו פני השטח שכבה פעילה של אלקטרודה. עם זאת, α-PbO2 יש כוח מחייב חזק, ו-O שלו-O המרחק האטומי הוא בין "השכבה התחתונה" ו-β-PbO2, אשר יכול לשמש היתוך מאגר, להפחית את עיוות הסיג החשמלי ולהגדיל את הזיקה בין פני השטח לבין השכבה התחתונה. לכן, בתהליך הציפוי החשמלי, α-type PbO2 ניתן להפקיד בתנאים אלקליין חזקה הראשון, ו β-type PbO2 ניתן להפקיד בתנאים חומצי כדי לשפר את חיי השירות של האלקטרודה.

2. שדות האפליקציה של האלקטרודה המבוססת על טיטניום בעלי תחמוצת העופרת

, תחת הסביבה של אבולוציה החמצן. אלקטרודות לעופרת דו-חמצניהואפותחה. PbO2 הוא תרכובת שאינה סטויכולמטרית, כי הוא לקויה בחמצן מכיל עופרת מוגזמת. יש לו מגוון רחב של צורות גביש. קורוזיה (יציבות גבוהה יותר ב-H2S04 חומצה חזקה או HN03), גבוהה יתר חמצן גבוה, מוליכות חשמלית טובה, כוח מחייב חזק, חמצון חזק יכולת כאשר אלקטרולתית בתמיסה מימית, יכול לדובזרם גדול, וכו '.זה מאוד מבטיח. בזמן הנוכחי, הוא נעשה שימוש נרחב בתחומי ציפוי אלקטרולאני, היתוך, פסולת טיפול במים, קתודה נגד-קורוזיה, וכו ', אשר לא ניתן להחליפו בחומרים רבים אחרים של האלקטרודה (כגון DSA, עופרת, ציפוי פלטינה טיטניום).

אלקטרודות העופרת הדו חמצני יש משקעי נמוך, תכונות כימיות יציבות, עמידות קורוזיה טובה, מוליכות חשמלית טובה, וניתן להשתמש בהם עבור זרמים גדולים. הם משמשים רבות בהכנה אלקטרוטית של חומרים אורגניים ואורגניים שונים, טיפול בשפכים ותהליכי הכנה למים בעלי טוהר גבוהה. שדה היישום רחב מאוד.

2.1 התעשייה הכימית אי-אורגנית

2.1.1Cמיכל בלוריס,PbO2 אלקטרודה שימש בתעשיית כלורטה במשך זמן רב. ייצור ברומאט ו-יודייט באמצעות PbO2 אלקטרודות הוא בוגר יחסית, במיוחד יודייט. בשל מבנה פני השטח של אלקטרודות PbO2, בנוסף לתגובות אלקטרוכימיות, היא גם ממלאת תפקיד קטליטי.

2.1.2 אלקטרוזד H2O2

H2O2 המיוצר על ידי אלקטרוליזה בדרך כלל משתמשת Pt כאלקטרודה. יש אנשים שחקרו את השימוש MnO2, Fe3O4, גרפיט, וכו ' כמו חומרים אנודת, אבל הם לא הצליחו, ו PbO2 כמו אנודת השיגה יתרונות כלכליים טובים. בגלל הפוטנציאל יתר של PbO2 אלקטרודה לחמצן הוא מעט נמוך מזה של Pt, אנשים ניהלו מחקר על החלפת האלקטרודה Pt עם PbO2 אלקטרודה. במהלך מלחמת העולם השנייה, יפן חסרה פלטינה ו H2O2 היה צורך צבאי, כך ב 1944-1945, זה הבין את התיעוש של אלקטרודות PbO2 המצע במקום H2O2 מבוססי Pt.

2.2 התעשייה הכימית האורגנית

היישום של אלקטרודות PbO2 בסינתזה אורגנית אינו בוגר כמו ביישומים סינתזה אורגניים, ורבים עדיין להיות בחקר.

2.2.1 כלורופורם. 

בהכנת כלורופורם, האלקטרודה PbO2 משמש במקום האלקטרודה Pt יקר. האפקט הוא אידיאלי. התנאים המתאימים ביותר לאלקטרו-סינתזה של כלורופורם: האורל 300g/L, אטוח 25ml/L, PH 8 ~ 10, טמפרטורה 60 ~ 70 ° צ'; הצפיפות הנוכחית של אנודת היא 0.3 עד 0.5 a/m2, היעילות הנוכחית היא 80% עד 90%, מתח התא הוא 5v, שיעור ההמרה הוא 98% עד 99%, והטוהר הוא 99.5% עד 99.9%. בהכנת ברומאופורם, היעילות הנוכחית היא 92.5%, פלטינה היא 87%, ו גרפיט הוא 86%. PbO2 הוא חומר האנודה האפקטיבי ביותר ב-יודופורם אלקטרוסינתזה. היעילות הנוכחית היא 90%, ואובדן האנודה הוא זניח.

חומצה איזווטירית 2.2.2

תעשייה, חומצה איזובוטירית עשויה מ-KMnO₄isobutanol במדיום אלקליין תחמוצת ותיקון כדי לייצר 1t של חומצה איזובווטירית. בנוסף לחומר הגלם העיקרי isobutanol, זה עדיין צריך על 3.2 tKMnO4, 1.6 tH2SO4, חומרי עזר כגון 0.3 tNa2CO3 יש עלות גבוהה ולייצר כמעט 2tMnO2 שאריות פסולת, אשר מזהמים את הסביבה. השימוש בעופרת מבוססי אלקטרודות דו תחמוצת העופרת כדי בעקיפין מחמצן isobutanol כדי חומצה איזווטירית מפחית זיהום סביבתי.

טיהור שפכים 2.2.3

PbO2 אלקטרודות המבוססות על טיטניום משמשות לטיפול במזהמים אורגניים קשים לביו-תכלה, מזהמים ביולוגי ושפכים אורגניים בטמפרטורה גבוהה. השפלה של 10 מ"ג/L מתיל כתום פתרון עם אלקטרודה PbO2 מבוסס טיטניום הראה כי שיעור ההסרה של מתיל כתום היה כמעט 100% כאשר מטופלים בצפיפות הנוכחית של 36 mA/cm עבור 12 דקות, ו-hכמופעילות אלקטרוקטליטית גבוהה יותר. . באמצעות אלקטרודה PbO2 חדשה לטיפול בשפכים בנזן ניטרוגליצרין, זה נמצא כי האלקטרודה PbO2 היה שיעור גבוה יותר הסרת בקלה מאשר האלקטרודות גרפיט רגיל. לאחר 5 שעות של אלקטרוליזה, שיעור ההסרה בקלה היה עד 65%. יעילות אלקטרוליזה גבוהה היא בעיקר בשל פוטנציאל האבולוציה גבוהה החמצן של האלקטרודה PbO2. תחת polarization אנוריזציה, המשטח של האלקטרודה PbO2 נוטה לייצר · הו, אשר יגיב עם ניטרוגליצרין בנזן אשר נודד למשטח האלקטרודה. מאפייני Ti/PbO2 אנאודה אלקטרוקטליטי של חמצון של מזהמים אורגניים. התוצאות הנסיוניות מראות כי האלקטרודה מראה פעילות אלקטרוקטליטית טובה להשפלה של פנול, והיא בעלת סיכויים טובים להגנה על הסביבה. האלקטרודה PbO2 הראתה ביצועים קטליטיים טובים להשפלה של אנילין. בתוך 3 שעות, אנילין יכול לקבל שיעור הסרה גבוהה יותר. באותו הזמן, האלקטרודה PbO2 גם הראה יציבות טובה וחיי שירות. התוצאות של המחקר על הטיפול של שפכים ביריעות הידרוקסיעם PbO2 אלקטרודה להוכיח כי זה בדרך כלל לוקח רק 3 ~ 6h כדי לבזות לחלוטין את זה לתוך אורגניים או CO2.

מתכתחהsמאפיינים מכניים שאין שניהםלעומת חומרים אחרים, מה שהופך אותו הבחירה האטרקטיבית ביותר עבור מצעשלאלקטרודות עופרת דו תחמוצת. עם זאת, לא כל המתכות מתאימות מצע של אלקטרודה עופרת דו תחמוצת. זה חייב להיות מתכת בצורת שסתומים עם מאפיינים חד כיווני לנשיאה, כגון Ti, Ta, Nb, Zr וכן הלאה. בין המתכות הנ ל, Ta יש עמידות קורוזיה הטוב ביותר ושאיפה נמוכה, והוא החומר הטוב ביותר לשימוש כמצע במונחים של ביצועים. עם זאת, מכיוון Ta יש זיקה גבוהה עבור חמצן, זה בדרך כלל צריך להיות בסביבה אנוקסי, ו Ta מתכת היא יקרה, כך הוא לא נפוץ בייצור בפועל. Ti היא זולה, בעל צפיפות נמוכה, חוזק גבוה, ויש לו קצב התרחבות תרמי קרוב לזה של עופרת דו-חמצני. לכן, Ti מסומנת בדרך כלל כמצע של האלקטרודה הדו-חמצני המובילה. המצע טיטניום בדרך כלל מאמצת מבנה רשת. הסיבה לכך היא שרשת Ti קשוחה ומודבקת בחוזקה לשכבת החשמל. האלקטרודה הדו הדו-חמצני המבוססת על רשת Ti יכולה להפחית את ההתנגדות לזרימת האלקטרוליט ולשפר את היעילות הנוכחית, במיוחד בצפיפות הזרם הגבוה ביעילות למנוע את האלקטרודה מהתחממות יתר.