一种石墨烯掺杂金属氧化物阳极的制备方法
【技术领域】
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[0001]本发明属于电化学技术领域，涉及一种新型石墨烯掺杂金属氧化物阳极的制备方法。
【背景技术】
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[0002]电解工业用阳极要求具有良好的电催化活性，以便降低电解槽槽压，提高电解效率，同时还需要有高稳定性和长的使用寿命；钛基金属氧化物阳极，是由钛基体上涂覆IrO2> RuO2> Ta2O5> SnO2等贵金属氧化物涂层而构成，因其具有良好的电化学活性、低消耗速率和长寿命，而且重量轻、易于加工成所需的形状，高的性价比和广谱适应性等优点，在氯碱工业、电镀、污水处理、阴极保护和有机电合成等领域作为析氧或析氯电极应用十分广泛。虽然钛基金属氧化物阳极已得到广泛应用，但在实际工程中仍存在一些不可避免的问题；首先，阳极涂层主要通过高温热烧结分解工艺制备，涂层与基体间的结合力仅通过基体预处理来保证，且涂层厚度较薄（通常在几个微米左右），耐磨性较差，一旦涂层破损暴露钛基体，易导致阳极很快提早失效。另外，阳极的电催化活性仍有待提高。在采用硫酸为电解液的钢板高速电镀锌生产线和大型船舶外加电流阴极保护等工作电流密度要求较高的电解行业，阳极的排流量较低，无法满足实际工程需要。
[0003]石墨稀(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新型二维碳纳米材料，与碳纳米管（CNTs)和富勒烯（C6tl)相比，石墨烯有更大的比表面积（2630m2 · g—1)和更高的化学稳定性。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，而且还非常牢固坚硬，作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯凭借其优异的电学、力学和热学性质，在材料研宄领域得到了广泛关注，因此采用石墨烯对金属氧化物阳极进行掺杂改性将有益于改善其电催化活性和稳定性。
【发明内容】
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[0004]本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种石墨烯掺杂金属氧化物阳极的制备方法，该制备方法基于石墨烯良好的耐磨性和导电性，通过对阳极进行掺杂改性，能够显著改善石墨烯的电催化活性和稳定性。
[0005]为了实现上述目的，本发明涉及的石墨烯掺杂金属氧化物阳极的制备方法包括基体预处理、石墨烯多元醇溶液制备、阳极涂液配制和石墨烯掺杂金属氧化物阳极的制备四个步骤，其具体工艺过程为：
[0006](I)基体预处理：选用纯度大于99%的金属钛作为钛基体，用粒度为110-130 μπι的金刚砂对钛基体进行喷砂处理后用蒸馏水冲洗除去残留砂粒和金属肩，再将钛基体放入丙酮中进行除油得到除油后的钛基体，然后将除油后的钛基体放入重量百分比浓度为8-12%的草酸水溶液中，在沸腾状态下进行表面刻蚀lh-2h后取出用去离子水冲洗干净，获得表面均匀粗糙的钛基体，钛基体的表面粗糙度为I. 5ym-3. 5 μ m，将表面均匀粗糙的钛基体吹干放入无水乙醇中备用；
[0007](2)石墨烯多元醇溶液制备：将石墨烯溶于多元醇溶液中在超声波清洗器中超声分散20-60min制得石墨稀多元醇溶液，其中石墨稀的含量为O. lg/L_3g/L ；
[0008](3)阳极涂液配制：将金属氧化物前驱体盐溶液加入步骤（2)制得的石墨烯多元醇溶液中，控制金属离子总浓度为O. 2-0. 35mol/L，磁力搅拌至均匀混合得到阳极涂液；
[0009](4)石墨烯掺杂金属氧化物阳极的制备：将步骤（3)制得的涂液用毛刷均匀涂刷在步骤（I)得到的钛基体表面，再将钛基体放置在烘箱中100-130°C干燥10-20min后置于烧结炉中，在450-550°C下烧结10-20min后取出，在常温下冷却，重复上述涂刷、烘干、烧结和冷却步骤，直至金属氧化物载量达到10-30g/m2，最后一次涂刷、干燥后在450-550°C的烧结炉中烧结1-1. 5h，即得石墨烯掺杂金属氧化物阳极。
[0010]本发明涉及的多元醇溶液为正丁醇溶液或异丙醇溶液。
[0011]本发明所述金属氧化物前驱体盐溶液由H2IrCl6 *6H20,RuCl3^H2PtCl6 ·6Η20,TaCl5多元醇溶液、SnCl4*的一种或多种混合组成的。
[0012]本发明与现有技术相比，其制备工艺简单，操作方便，制备的石墨烯掺杂金属氧化物阳极电化学活性点多，电催化活性高，排流量更大，使用寿命长，显著改善了阳极的综合性能。
【附图说明】
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[0013]图I为本发明的制备工艺流程原理示意框图。
[0014]图2为本发明实施例涉及的添加不同含量石墨烯的TiArO2-Ta2O5-G阳极的表面形貌图，其中，a为未掺杂石墨稀TiVlrO2-Ta2O5阳极的外貌；b为掺杂O. 4g ?L—1石墨稀Ti/IrO2-Ta2O5-G阳极的外貌。
[0015]图3为本发明实施例涉及的掺杂不同含量石墨烯TiArO2-Ta2O5-G阳极的循环伏安曲线图。
[0016]图4为本发明实施例涉及的掺杂不同含量石墨烯TiArO2-Ta2O5-G阳极的循环伏安电量示意图。
[0017]图5为本发明实施例涉及的掺杂不同含量石墨烯的TiArO2-Ta2O5-G阳极的极化曲线图。
[0018]图6为本发明实施例涉及的掺杂不同含量石墨烯TiArO2-Ta2O5-G阳极的强化电解寿命示意图，其中，a为未掺杂石墨烯TiArO2-Ta2O5阳极；b为掺杂O. 4g ·Ι^石墨烯Ti/IrO2-Ta2O5-G 阳极。
实施例：
[0019]下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
[0020]实施例：
[0021 ] 本实施例涉及的制备石墨烯掺杂金属氧化物阳极的制备方法包括基体预处理、石墨烯正丁醇溶液制备、阳极涂液配制制备和石墨烯掺杂金属氧化物阳极的制备四个步骤，其具体工艺过程为：
[0022](I)基体预处理：选用板状140mmX IIOmmX 3mm的ΤΑ2工业纯钛板作为钛基体，采用粒度120 μm的金刚砂对钛基体进行喷砂处理后用蒸馏水冲洗除去残留砂粒和金属肩，然后将钛基体放入丙酮中进行除油，再将除油后的钛板放入重量百分比浓度为10%的草酸水溶液中，在沸腾状态下进行表面刻蚀2h后取出用去离子水中冲洗干净，获得表面均匀粗糙的钛基体，钛基体的表面粗糙度为3. O μ m，将上述处理过的钛基体吹干放入无水乙醇中备用;
[0023](2)石墨烯正丁醇溶液制备：称取不同重量的石墨烯分别置于正丁醇溶液中并加入少许盐酸起到表面润湿作用，在超声波清洗器中超声分散30min，分别得到石墨烯含量为O. Ig/L、0. 2g/L、0. 3g/L、0. 4g/L、0. 5g/L 的石墨稀正丁醇溶液；
[0024](3)阳极涂液配制：将由H2IrCl6 · 6H20和TaCl5正丁醇溶液按摩尔比Ir ：Ta =70:30分别加入到步骤（2)制得的石墨烯正丁醇溶液中，控制金属离子总浓度为O. 3mol/L，磁力搅拌至均匀混合得到阳极涂液；
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