一种二氧化钛改性二氧化铅电极的制备方法及其应用与流程

本发明涉及一种二氧化钛改性二氧化铅电极的制备方法及其应用，具体涉及一种以钛为基体且含有锡锑氧化物中间层的二氧化钛改性二氧化铅电极(简称Ti/SnO₂-Sb₂O₃/PbO₂-TiO₂电极)及其在光电催化降解污染物中的应用，属于电极材料技术领域。

背景技术：

PbO₂作为一种电极材料被广泛应用在析氧反应、化学品生产、制备臭氧以及废水处理中(Li X,Pletcher D,Walsh F C.Electrodeposited lead dioxide coatings[J].Chemical Society Reviews,2011,40:3879-3894.)。纳米功能材料作为一类同基体相复合的增强体，有着诸多和常规材料不同的新特性，例如小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等(Komeda T,Katoh K,Yamashita M.Double-decker phthalocyanine complex:Scanning tunneling microscopy study of film formation and spin properties[J].Progress in Surface Science,2014,89:127-160)，从而使得纳米材料拥有特殊的热、力、电、磁、光学特性。如果能够将纳米功能材料均匀分散到PbO₂基质中，有望进一步增进PbO₂基体材料的性能；另外，PbO₂也能够增进与其相复合的纳米功能材料的电化学性能(Chen Buming,Guo Zhongcheng,Xu Ruidong.Electrosynthesis and physicochemical properties ofα-PbO₂-CeO₂-TiO₂composite electrodes[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2013,23:1191-1198)。因此，PbO₂基纳米复合功能材料在电催化降解、制备、能量存储等方向拥有深远的研究和使用价值。

TiO₂具有光催化活性，将其附着在PbO₂电极上能够产生光电协同效应，李国亭等人(李国亭，曲久辉，张西旺等.TiO₂改性β-PbO₂电极光电协同降解偶氮染料酸性橙Ⅱ[J].科学通报.2005,50(7):632-637.)制备了TiO₂改性β-PbO₂电极，证明了该电极在降解酸性橙Ⅱ中具有明显的光电协同效应，但是目前研究制备的PbO₂电极仍然存在电极颗粒附着难以控制、催化效果不十分理想的问题。An Hao等(An Hao,Li Qin,Tao Dejing,et al.The synthesis and characterization of Ti/SnO₂-Sb₂O₃/PbO₂electrodes:The influence of morphology caused by different electrochemical deposition time[J].Applied Surface Science,2011,258:218-224.)通过阳极电沉积制备出Ti/SnO₂-Sb₂O₃/PbO₂含有中间层的电极，中间层(SnO₂+Sb₂O₃)的加入能够有效改善电极的电化学催化性能，苯酚能够被完全降解。但是，单纯使用PbO₂电极存在着电极表面积较小导致催化效率偏低，电极寿命较短；且单纯使用电催化手段也使得催化效率受到一定的限制，虽然能够较好的去除小分子物质，但对于实际污水中的一些大分子物质仍需要进一步验证。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种二氧化钛改性二氧化铅电极的制备方法，采用电沉积法在钛基体和SnO₂-Sb₂O₃上共沉积TiO₂和PbO₂，一部分TiO₂纳米颗粒包裹在PbO₂的内部，一部分TiO₂纳米颗粒吸附在PbO₂的表面，充分发挥了TiO₂和PbO₂的光电协同催化作用；所制备的电极对于偶氮类有机染料有很好的降解作用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种二氧化钛改性二氧化铅电极的制备方法，所述方法步骤如下：

步骤1.钛板的预处理

先将钛板进行清洗，然后进行粗糙化处理，再将钛板浸渍到温度为70℃～90℃且质量分数为10％～20％的草酸水溶液中1.5h～3h以除去氧化层；将钛板从草酸水溶液中取出后，再用去离子水清洗并吹干；

步骤2.锡锑氧化物中间层的制备

将含有锡离子和锑离子的溶液涂覆在步骤1预处理后的钛板上，然后先将钛板置于90℃～110℃下10min～15min，除去溶剂，再将钛板置于200℃～500℃下烧结10min～15min；重复8～12次上述涂覆和烧结过程，且最后一次烧结时间为2h～2.5h，得到涂覆中间层的钛板；

步骤3.电沉积PbO₂-TiO₂

以铅板为阴极，以涂覆中间层的钛板为阳极，以含有纳米TiO₂颗粒的Pb(NO₃)₂和NaF的混合溶液为电沉积液，在25mA/cm²～35mA/cm²的电流密度下电沉积1h～1.5h，得到所述电极；

其中，电沉积液的搅拌速率为100rpm～150rpm，电沉积液的温度为25℃～32℃。

步骤1中，所述钛板的材质优选纯度不小于99.5％的工业纯钛。

步骤2中，含有锡离子和锑离子的溶液配制过程如下：将SnCl₂与SbCl₃按照10:1的质量比溶于异丙醇中，然后再加入浓盐酸，静置2d～4d，待配制的溶液变为浅黄绿色后即可使用；其中，浓盐酸为质量分数不小于36％的浓盐酸，SbCl₃的质量与浓盐酸的质量比为1:8～15。

步骤2中，采用逐次均匀升温的方法进行烧结，相邻两次烧结的温度差为(C_终-C_初)/n；其中，C_初为第一次烧结的温度，C_终为最后一次烧结的温度，n为烧结的次数。

步骤3中，纳米TiO₂是纯度不小于99.5％的锐钛矿型纳米TiO₂。

步骤3的电沉积液中，纳米TiO₂颗粒的浓度为8g/L～15g/L，Pb(NO₃)₂的浓度为0.19mol/L～0.28mol/L，NaF的浓度为0.008mol/L～0.012mol/L，电沉积液的pH值为2～3。

一种本发明所述二氧化钛改性二氧化铅电极的应用，所述电极适用于降解偶氮类有机染料；

降解偶氮类有机染料时，阴极为铅板，阳极为本发明所述电极，电流密度为30mA/cm²～60mA/cm²，待降解的偶氮类有机染料在溶液中的初始浓度为30mg/L～40mg/L，溶液中作为导电盐的Na₂SO₄的浓度0.05mol/L～0.08mol/L，溶液pH值为2～3。

所述偶氮类有机染料优选罗丹明B、亚甲基蓝或酸性橙7。

有益效果

(1)本发明所述电极的电沉积过程中，一部分活性TiO₂纳米颗粒包裹在PbO₂内部，使PbO₂的粒径变小，活性表面积增大，表面更加致密平整，析氧电位提高，使用寿命明显提高；另一部分活性TiO₂纳米颗粒附着在PbO₂的表面，起到了和PbO₂进行光电协同催化的作用。

(2)本发明所述的电极中具有锡锑氧化物中间层，与直接在钛基体上沉积PbO₂相比，能够有效改善电极的电化学催化性能，提高对有机物的降解效率；此外，锡锑中间层的加入能够减小钛基体和二氧化铅之间的内应力，从而延长电极使用寿命。

(3)本发明所述的电极适用于降解偶氮类有机染料废水，对偶氮类有机染料的去除率可达90％以上，COD去除率达65％以上，能耗降低17％左右，此外，降解的最终产物为二氧化碳和水，环境友好；本发明所述电极制备工艺简单，操作方便，综合成本低，对偶氮类有机染料的降解效果显著。

说明书附图

图1为实施例1中制备的二氧化钛改性二氧化铅电极的扫描电子显微镜(SEM)图。

图2为纯二氧化铅电极的扫描电子显微镜图。

图3为实施例1中制备的二氧化钛改性二氧化铅电极(b)的X射线衍射(XRD)谱图与纯二氧化铅电极(a)的X射线衍射谱图的对比图。

图4为实施例1中制备的二氧化钛改性二氧化铅电极与纯二氧化铅电极的强化寿命试验对比图。

图5为实施例1中制备的二氧化钛改性二氧化铅电极的光电流响应曲线。

图6为实施例1中制备的二氧化钛改性二氧化铅电极以及纯二氧化铅电极分别降解罗丹明B去除率随时间的变化对比曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

以下实施例中：

钛板：含钛99.5％的工业纯钛，深圳市宏磊金属材料有限公司；

纳米TiO₂：99.5％的锐钛矿型纳米TiO₂，杭州万景新材料有限公司；

浓盐酸：质量分数为36～38％的浓盐酸；

含有锡离子和锑离子的溶液的配制：将20g SnCl₂和2g SbCl₃溶于100mL异丙醇，再加入14mL浓盐酸，静置2天，待配制的溶液变为浅黄绿色后即可使用。

强化寿命试验：在60℃恒温水浴中进行测试，阳极是实施例中制备的二氧化钛改性二氧化铅电极，阴极是铅板，阴阳极间的距离为2.0cm，溶液体系为2mol/L的硫酸水溶液，电流密度为4A/cm²，记录槽电压随时间的变化情况并绘制槽压-时间曲线；当槽电压激增升过10V时，即判定电极的寿命终止，从开始大电流电解直到槽电压超过10V时所经过的时间作为实验中电极的使用寿命。

光电流响应曲线：采用CHI660D电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)进行PCR(光电流响应)测试，考察实施例中所制备的电极的光电响应性能，计算光电转化效率；测试在在常温下进行，支持电解质硫酸钠浓度为0.2mol/L，光源为ZF-2型紫外灯(上海安亭电子仪器厂)。

实施例1

一种二氧化钛改性二氧化铅电极的制备步骤如下：

步骤1.钛板的预处理

先将钛板浸渍于乙醇中除油30min，然后分别用320目、600目的砂纸打磨钛板，再将钛板裁成20mm×50mm的方片并超声清洗15min，再将钛板浸渍到温度为80℃且质量分数为20％的草酸水溶液中1.5h以除去氧化层；将钛板从草酸溶液中取出后，再用去离子水清洗并吹干；

步骤2.锡锑氧化物中间层的制备

将含有锡离子和锑离子的溶液涂覆在步骤1预处理后的钛板上，然后先将钛板置于100℃的干燥箱中干燥10min，待钛板表面溶剂蒸发后，再将钛板置于马弗炉中烧结；重复11次上述涂覆、烧结过程，11次烧结的条件依次分别设置为200℃烧结15min，230℃烧结15min，260℃烧结15min，290℃烧结15min，320℃烧结15min，350℃烧结15min，380℃烧结15min，410℃烧结15min，440℃烧结15min，470℃烧结15min，500℃烧结2h，得到涂覆中间层的钛板；

步骤3.电沉积制备PbO₂-TiO₂复合电极

将16.5g Pb(NO₃)₂和0.1g NaF溶于250mL去离子水中，再加入2g纳米TiO₂并用浓硝酸调节溶液pH为2，得到的溶液即为电沉积液；以铅板为阴极，以步骤2中得到的涂覆中间层的钛板为阳极，将电沉积液的温度以及搅拌速率分别设置为30℃及120rpm，然后在30mA/cm²的电沉积电流密度下电沉积1h，得到二氧化钛改性二氧化铅电极。

步骤3中的电沉积液中不添加纳米TiO₂，其他步骤及参数不变，制备得到纯二氧化铅电极。

图1为本实施例所制备的二氧化钛改性二氧化铅电极表面SEM图，图2为纯二氧化铅电极的表面SEM图，由图1和图2可知，加入纳米二氧化钛颗粒后，电极表面更加细化、致密以及平整。图3为纯二氧化铅电极和二氧化钛改性二氧化铅电极的XRD对比图，由图可知，TiO₂的共沉积能够改变β-PbO₂的(101)和(301)晶面的择优取向。通过谢乐公式计算的晶粒尺可知，二氧化钛改性二氧化铅电极的晶粒尺寸要比纯二氧化铅电极的小。显然，晶体的体积越小就越可以形成更大的活性面积，从而有利于提高催化效率。图4比较了在纯二氧化铅电极和二氧化钛改性二氧化铅电极的加速寿命试验中槽电压随时间的变化，纯二氧化铅电极在35h后槽压出现激增；而二氧化钛改性二氧化铅电极的槽压基本不变，直到约145h后才开始逐渐增加，电压在最后1h的增加是由于PbO₂-TiO₂的脱落，二氧化钛改性二氧化铅电极的使用寿命能够达到149h，是纯二氧化铅电极使用寿命的4倍。图5是二氧化钛改性二氧化铅电极在1.2V(vs.SCE)电压下，0.2mol/L Na₂SO₄溶液中的瞬态光电流曲线，结果表明，二氧化钛改性二氧化铅电极对紫外光的响应明显，在紫外灯下产生了光电化学响应；当开启紫外灯光照射后，光电流密度瞬间显著增强并呈现出逐渐下降到趋于稳定的趋势；关闭紫外灯后，电流密度又减回原来的值。

本实施例所述二氧化钛改性二氧化铅电极以及纯二氧化铅电极对罗丹明B染料的降解性能测试如下：

配制罗丹明B初始浓度为30mg/L以及Na₂SO₄电导盐的浓度0.05mol/L的溶液，并将溶液的pH值调至为3；开启紫外灯，以铅板为阴极，以二氧化钛改性二氧化铅电极或纯二氧化铅电极为阳极，然后在30mA/cm²的电流密度下进行降解；降解过程中每隔15min取一次样，得到图6所示的曲线。

图6是所述电极对罗丹明B降解的去除率随时间的变化曲线，由图可知，随着降解时间的延长，罗丹明B的去除率也随之增加；降解75min后，二氧化钛改性二氧化铅电极对罗丹明B的去除率达93％，而纯二氧化铅电极对罗丹明B的去除率只有60％，明显低于二氧化钛改性二氧化铅电极对罗丹明B的降解速率。

实施例2

一种二氧化钛改性二氧化铅电极的制备步骤如下：

步骤1.钛板的预处理

先将钛板浸渍于乙醇中除油30min，然后分别用320目、600目的砂纸打磨钛板，再将钛板裁成20mm×50mm的方片并超声清洗15min，再将钛板浸渍到温度为75℃且质量分数为12％的草酸水溶液中3h以除去氧化层；将钛板从草酸溶液中取出后，再用去离子水清洗并吹干；

步骤2.锡锑氧化物中间层的制备

将含有锡离子和锑离子的溶液涂覆在步骤1预处理后的钛板上，然后先将钛板置于90℃的干燥箱中干燥15min，待钛板表面溶剂蒸发后，再将钛板置于马弗炉中烧结；重复10次上述涂覆、烧结过程，10次烧结的条件依次分别设置为230℃烧结10min，260℃烧结10min，290℃烧结10min，320℃烧结10min，350℃烧结10min，380℃烧结10min，410℃烧结10min，440℃烧结10min，470℃烧结10min，500℃烧结2.5h，得到涂覆中间层的钛板；

步骤3.电沉积PbO₂-TiO₂

将17g Pb(NO₃)₂和0.11g NaF溶于250mL去离子水中，再加入3g纳米TiO₂并用浓硝酸调节溶液pH为2.5，得到的溶液即为电沉积液；以铅板为阴极，以步骤2中得到的涂覆中间层的钛板为阳极，将电沉积液的温度以及搅拌速率分别设置为25℃及110rpm，然后在25mA/cm²的电沉积电流密度下电沉积1.5h，得到二氧化钛改性二氧化铅电极。

通过对本实施例所制备的二氧化钛改性二氧化铅电极进行表面形貌进行表征，由SEM图可知，加入纳米二氧化钛颗粒后，电极表面更加细化、致密以及平整。从本实施例所制备的二氧化钛改性二氧化铅电极的XRD图可知，二氧化钛改性二氧化铅电极的晶粒尺寸要比相同条件下制备的不含二氧化钛的纯二氧化铅电极的颗粒尺寸小，晶体的体积越小就越可以形成更大的活性面积，从而有利于提高催化效率。由本实施例所制备的二氧化钛改性二氧化铅电极的加速寿命测试结果可知，二氧化钛改性二氧化铅电极的槽压基本不变，直到约140h后才开始逐渐增加，使用寿命能够达到144h，而电压在最后1h的增加是由于PbO₂-TiO₂的脱落导致的。通过二氧化钛改性二氧化铅电极在1.2V(vs.SCE)电压下，0.2mol/L Na₂SO₄溶液中得到的瞬态光电流光谱可知，二氧化钛改性二氧化铅电极对紫外光的响应明显，在紫外灯下产生了光电化学响应；当紫外灯接通后，电流迅速升高，当紫外灯关闭后，电流又迅速降回原来的值。

本实施例所述二氧化钛改性二氧化铅电极对偶氮染料亚甲基蓝的降解性能测试如下：

配制亚甲基蓝初始浓度为35mg/L，以及Na₂SO₄电导盐的浓度0.07mol/L的溶液，并将溶液的pH值调至为2.5；以铅板为阴极，以本实施例所制备的二氧化钛改性二氧化铅电极为阳极，然后在40mA/cm²的电流密度下进行降解，且降解过程中每隔20min取一次样。

在降解90min后，二氧化钛改性二氧化铅电极对亚甲基蓝的去除率达97％，而相同条件下制备的不含二氧化钛的纯二氧化铅电极的去除率为79％，明显低于二氧化钛改性二氧化铅电极的降解速率。

实施例3

一种二氧化钛改性二氧化铅电极的制备步骤如下：

步骤1.钛板的预处理

先将钛板浸渍于乙醇中除油30min，然后分别用320目、600目的砂纸打磨钛板，再将钛板裁成20mm×50mm的方片并超声清洗15min，再将钛板浸渍到温度为90℃且质量分数为18％的草酸水溶液中1.5h以除去氧化层；将钛板从草酸溶液中取出后，再用去离子水清洗并吹干；

步骤2.锡锑氧化物中间层的制备

将含有锡离子和锑离子的溶液涂覆在步骤1预处理后的钛板上，然后先将钛板置于110℃的干燥箱中干燥15min，待钛板表面溶剂蒸发后，再将钛板置于马弗炉中烧结；重复12次上述涂覆、烧结过程，12次烧结的条件依次分别设置为225℃烧结10min，250℃烧结10min，275℃烧结10min，300℃烧结10min，325℃烧结10min，350℃烧结10min，375℃烧结10min，400℃烧结10min，425℃烧结10min，450℃烧结10min，475℃烧结10min，500℃烧结2h，得到涂覆中间层的钛板；

步骤3.电沉积PbO₂-TiO₂复合电极

将19.5g Pb(NO₃)₂和0.09g NaF溶于250mL去离子水中，再加入2.5g纳米TiO₂并用浓硝酸调节溶液pH为3，得到的溶液即为电沉积液；以铅板为阴极，以步骤2中得到的涂覆中间层的钛板为阳极，将电沉积液的温度以及搅拌速率分别设置为32℃及140rpm，然后在35mA/cm²的电沉积电流密度下电沉积1h，得到二氧化钛改性二氧化铅电极。

由本实施所制备的二氧化钛改性二氧化铅电极的SEM图可知，加入纳米二氧化钛颗粒后，电极表面更加细化、致密以及平整。从本实施例所制备的二氧化钛改性二氧化铅电极的XRD图可知，二氧化钛改性二氧化铅电极的晶粒尺寸要比相同条件下制备的不含二氧化钛的纯二氧化铅电极的颗粒尺寸小，晶体的体积越小就越可以形成更大的活性面积，从而有利于提高催化效率。由本实施例所制备的二氧化钛改性二氧化铅电极的加速寿命测试结果可知，二氧化钛改性二氧化铅电极的槽压基本不变，直到约144h后才开始逐渐增加，使用寿命能够达到150h，电压在最后1h的增加是由于PbO₂-TiO₂的脱落导致的。通过二氧化钛改性二氧化铅电极在1.2V(vs.SCE)电压下，0.2mol/L Na₂SO₄溶液中得到的瞬态光电流光谱可知，二氧化钛改性二氧化铅电极对紫外光的响应明显，在紫外灯下产生了光电化学响应；当紫外灯接通后，电流迅速升高，当紫外灯关闭后，电流又迅速降回原来的值。

本实施例所述二氧化钛改性二氧化铅电极对偶氮染料酸性橙7的降解性能测试如下：

配制酸性橙7初始浓度为40mg/L，以及Na₂SO₄电导盐的浓度0.08mol/L的溶液，并将溶液的pH值调至为2；以铅板为阴极，以本实施例所制备的二氧化钛改性二氧化铅电极为阳极，然后在50mA/cm²的电流密度下进行降解，且降解过程中每隔30min取一次样。

在降解120min后，二氧化钛改性二氧化铅电极对亚甲基蓝的去除率达99％，而相同条件下制备的不含二氧化钛的纯二氧化铅电极的去除率为85％，明显低于二氧化钛改性二氧化铅电极的降解速率。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。