具有耐酸性能的钛基氧化物电极有着广泛的应用,例如在电化学工业中对于污水的处理或者合成出其他一些物质,然而,由于强酸溶液中阳极析出的氧能够渗入到阳极内层和Ti基体的表面,不仅容易形成TiO2绝缘层,而且将会引起涂层与基体的结合力降低,导致电极失活。目前,国内外研究者重点研究添加中间层组分形成固溶体结构来解决上述问题,例如,Sb掺杂SnO2形成的SnO2+Sb2O5固溶体是一种增强电极导电性与稳定性的有效组分,但是目前对于它们的微观结构与性能之间的关系缺乏了解,阻碍着钛基氧化物电极的工业化生产。近年来,基于密度泛函理论(DFT: Density Function Theory)的第一性原理计算在物理性质预测、合成、材料设计和评价诸多方面有许多突破性的进展,己经成为计算材料科学的重要基础和核心技术。因此,本文采用基于第一性原理计算的密度泛函理论与实验相结合的研究思路,对钛基氧化物电极材料的微观结构与宏观性能之间的关系进行了研究,这将对设计和研究新型的钛基氧化物电极材料具有一定的指导意义。本文选择Ti/SnO2+Sb2O5电极为研究对象,采用理论与实验相结合的方法对其进行了如下研究:①采用基于第一性原理的密度泛函理论计算了不同Sb掺杂浓度下Sn1-xSbxO2超晶胞的形成能和电子结构。②计算了Sn掺杂TiO2原胞及Ti掺杂SnO2原胞的结合能和电子结构;③同时采用热分解法制备了Ti/SnO2+Sb2O5电极,并对此电极的交流阻抗谱与强酸条件下的加速使用寿命进行了测试。结果表明:1. Sb替代Sn后,超晶胞的导电性都得到了增强,且晶格常数变化不大,另外掺杂形成能的数值表明Sn1-xSbxO2超晶胞固溶体生成了,并且导电性在8.3%时达到了最大值,在6.3%时稳定性最好。2. Sn0.5Ti0.5O2单胞的晶格常数和晶胞体积介于SnO2单胞与TiO2单胞之间;TiO2、SnO2、Sn0.5Ti0.5O2的结合能分别为2.52eV、2.40eV、2.44eV ,因此稳定性为TiO2>Sn0.5Ti0.5O2> SnO2;当Sn掺杂TiO2后,在费米能级至低导带处,存在Sn 5s电子态分布,引入的杂质能级进入TiO2本体的带隙中,使得带隙减小;同时,当Ti掺杂SnO2后,同样存在Ti 3d电子态分布,引入的杂质能级也能够进入SnO2本体的带隙中,使得电子跃迁更容易。因此,Sn0.5Ti0.5O2固溶体的电子结构表明该固溶体的导电性最强。3.由XRD图谱可知锑可能以氧化物的形式(Sb2O5)固溶到SnO2晶格中形成了固溶体;且Ti/SnO2+Sb2O5的Rf为22?·cm2,明显低于Ti/SnO2的91?·cm2;电极加速使用寿命在掺杂浓度为4.17at%时达到最大值28 h,明显高于未掺杂的16 h。综上所述,本文在国内外首次将第一性原理引入钛基氧化物电极的导电性和稳定性研究,且理论计算与实验结果基本吻合,因此,本文的研究思路将对设计和研发新型钛基氧化物电极材料提供理论依据。