【摘 要】
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当前锌电积用阳极为Pb-Ag合金阳极,其存在析氧过电位过高(0.8-1.0V)、机械性能较差等缺点。为了研制出一种满足锌电积用高催化活性和耐腐蚀的复合阳极材料,本文选取多孔钛(3D-Ti)作为基体材料于环保体系(Pb(Ac)_2-NH_2SO_3H)中利用复合电沉积制备Co_3O_4和CNTs共掺杂的Pb O_2复合阳极。首先,利用旋转圆盘电极(RDE)构建稳态扩散并采用Koutechy-Levi
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当前锌电积用阳极为Pb-Ag合金阳极,其存在析氧过电位过高(0.8-1.0V)、机械性能较差等缺点。为了研制出一种满足锌电积用高催化活性和耐腐蚀的复合阳极材料,本文选取多孔钛(3D-Ti)作为基体材料于环保体系(Pb(Ac)2-NH2SO3H)中利用复合电沉积制备Co3O4和CNTs共掺杂的Pb O2复合阳极。首先,利用旋转圆盘电极(RDE)构建稳态扩散并采用Koutechy-Levich方程对Pb O2沉积动力学进行分析。确定了Pb O2的电沉积的速控步骤为电化学和扩散控制。探明了Pb(Ac)2、p H值及温度对Pb O2沉积动力学行为的影响,增加Pb(Ac)2浓度、升高温度及降低溶液p H值均会提高溶液中Pb(Ac)22+的扩散系数(D),促进其在溶液的扩散,增大Pb O2沉积反应的异相反应速率常数(k),最佳条件下获得的最大k值为3.59×10-6 m?s-1。其次,利用恒电流制备3D-Ti/PbO2阳极,确定最佳沉积条件。在此基础上利用复合电沉积制备Co3O4、CNTs和同时掺杂的Pb O2阳极并确定最佳掺杂浓度。当同时掺杂4g?L-1的Co3O4和0.4 g?L-1CNTs时,在锌电积模拟测试液(50g?L-1Zn2+,150g?L-1H2SO4)中电流密度500A?m-2条件时,3D-Ti/Pb O2-Co3O4-CNTs复合阳极的析氧电位仅为394m V,和Pb-0.76Ag合金阳极相比,降低了478 m V。这主要是由于复合电极具有较高的活性表面积,其中表现在较高的孔隙率(90.1%)、最大的伏安电荷(5.3622C?cm-2)和最大的Cdl值(6.494 F?cm-2);除此之外,由于具有优异的导电性CNTs的掺杂提高了阳极的导电性,表现在阳极的传核电阻仅为3.65Ω-1?cm-1,和未掺杂相比,电阻降低了3/4。由于来自于活性表面积增大和电阻的减小的协同作用,阳极的析氧超电位大幅减小。最后,对复合阳极进行模拟锌电积实验发现3D-Ti/Pb O2-Co3O4-CNTs电极的稳态析氧电位为1.1826V,和传统Pb-Ag合金相比,降低了503m V;槽电压降低了560m V;电流效率为94.3%;电耗降低了441.3 k W·h,节能效果显著。此外,20000A?m-2测试寿命为26 h;换算成工业电流密度500 A?m-2下使用寿命为3466.7天。
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