基于TiO2模板构筑纳米多孔结构钌钛氧化物电极及电催化性能研究

钌钛电极广泛用于氯碱、电冶金、有机废水处理、阴极保护等领域。目前采用涂层技术制备的钌钛电极表面存在龟裂纹, 且涂层与基体之间的结合力较差，因此在长期使用后易出现涂层剥落、钝化而失效。本课题组在省基金资助下，以钛阳极氧化膜为基体采用溶胶凝胶法制备了具有析氯催化活性、无龟裂纹的钌钛电极，电极活性层与结构基质之间实现有机结合，从根本上解决了涂层易剥落问题。然而电极的比表面不大，催化活性点相对较少。为进一步提高电极的电催化活性，本项目提出以钛阳极氧化形成的宽缝隙TiO2纳米管阵列为模板，采用电沉积法将金属钌等元素填充到纳米管之间的缝隙内，经特殊的热处理，制备纳米多孔结构的钌钛氧化物电极。通过优化模板结构、电沉积以及热处理工艺，获得稳定性好、电阻率低、催化活性及选择性高的钌钛电极。系统研究电极的结构、组成以及表面界面特征，并与其在氯盐体系中的电催化性能进行直接关联，揭示内在的联系及作用机理。

钌钛电极广泛用于氯碱、电冶金、有机废水处理、阴极保护等领域。本研究以宽缝隙TiO2纳米管阵列为基体制备了Ru/TiO2、Sb掺杂RuO2/TiO2等纳米结构电极，探讨了电极的制备工艺、催化活性与其微观结构、组成等之间的关系，获得了稳定性好、活性高的钌钛氧化物复合电极。按原计划较好地完成了该项目，取得的主要结果：（1）通过热处理方式改变阳极氧化TiO2纳米管阵列的晶型结构，降低其膜层电阻与表面电荷转移电阻，提高纳米管的表面反应活性，利用电化学法成功将金属颗粒填充在TiO2纳米管阵列的孔隙内。（2）以热处理TiO2纳米管阵列为基体，采用恒电流方式沉积钌，发现钌纳米颗粒沿着纳米管的内、外壁生长，最终形成具有规则纳米管阵列结构的复合电极。由于电沉积单质钌难以氧化生成具有析氯活性的RuO2，导致电极性能受到限制；锡的掺杂可以促进电沉积钌的氧化，然而会导致沉积物堵塞纳米管管口，破坏TiO2基体原有的纳米结构；电解中加入Sb3+后不仅促进了钌的沉积，而且锑的掺杂促使电沉积的钌更容易氧化生成RuO2，从而电极表现出高的电催化活性。（3）通过电化学还原自掺杂使TiO2纳米管局部还原产生Ti3+，不仅降低TNTs的膜层电阻，也有利于纳米颗粒在孔隙内的沉积，制备的电极催化活性得到进一步提高。（4）该工艺同样也适用于Cu、Co等金属或氧化物在TiO2纳米管阵列孔隙内的沉积，制备高催化活性的纳米结构电极。