بررسی اثر پایدارکنندهها بر روی خواص الکتروکاتالیتیکی پوششهای نانوساختار مخلوط اکسیدی روی تیتانیم
The effect of stabilizers on electrocatalytic properties of nanostructural mixed oxide coatings on titanium
/ایمان پولادوند
: فنی مهندسی مکانیک
، ۱۳۹۷
، افشاری
۱۳۲ص
چاپی - الکترونیکی
دکتری
مهندسی مواد- متالوژی
۱۳۹۷/۱۱/۰۶
تبریز
الکترودهای فعال شده با مخلوط اکسیدهای فلزی، دارای کاربردهای فراوانی در واحدهای تولید کلر، اکسیژن و همچنین حفاظت کاتدی هستند .پایداری ابعادی، وزن کم به ازای واحد سطح و چگالی جریان آندی بالا از جمله مزایای این الکترودها است .در این الکترودها، تیتانیم به علت قیمت مناسب، پایداری مکانیکی و شیمیایی و همچنین فعالیت الکتروکاتالیست خوب به عنوان زیرلایه استفاده میصشود .زیرلایه بدون پوشش به سرعت اکسید شده و نمیصتواند نقش خود را ایفا کند .لذا استفاده از پوشش الکتروکاتالیست مخلوطی از اکسیدهای فلزی نجیب از جمله RuO۲ و IrO۲ بر روی این الکترودها ضروری است .در این پروژه هدف بررسی اثر پایدارکنندهصهای مختلفSnO۲ ، CeO۲ و La۲O۳ بر روی خواص الکتروکاتالیستی پوششصهای اکسیدی نانوساختارRuO۲- TiO۲،IrO۲ - TiO۲وIrO۲ -RuO۲- TiO۲است .به این منظور ابتدا جهت تعیین نسبت اختلاط مناسب پوششصها، توسط روش سل- ژل پوششصهایRuO۲- TiO۲،IrO۲ - TiO۲وIrO۲ -RuO۲- TiO۲با نسبتصهای مولی مختلف بر روی زیرلایه تیتانیم ایجاد و مورد بررسی قرار گرفتند .پس از دستیابی به نسبت اختلاط بهینه در پوششصهای فوق، اثر پایدارکننده-هایSnO۲ ، CeO۲ و La۲O۳ بر روی خواص پوششRuO۲ - TiO۲و اثر پایدارکننده SnO۲ بر روی خواص پوششصهایIrO۲ - TiO۲وIrO۲ -RuO۲- TiO۲مورد بررسی قرار گرفت .تعیین دمای عملیات حرارتی بهینه پوششصها توسط آنالیز حرارتی (TGA/DTA) انجام شد .به منظور بررسی مورفولوژی و توپوگرافی پوششصها از میکروسکوپ الکترونی روبشیSEM) - (FEو میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) ، برای استحکام چسبندگی از روش خراش (ASTM D۳۳۵۹) و جهت مطالعه ساختار و ترکیب شیمیایی پوششصها از روش تفرق اشعه ایکس (XRD) و آنالیز تفکیک انرژی (EDS) استفاده شد .همچنین به منظور بررسی رفتار خوردگی و خواص الکتروکاتالیستی پوششصها، آزمونصهای پلاریزاسیون، ولتامتری چرخهصای و آزمون خوردگی تسریع شده (AST) در محلولصهای H۲SO۴ و NaCl انجام شد .نتایج نشان داد که ریزساختار تمامی پوششصها دارای ساختاری شبیه گل خشک ترکصدار بوده که نسبت مولی اکسیدها در پوشش، بر روی مورفولوژی و همچنین ریزترکصهای ایجاد شده موثر است .از نظر خواص خوردگی و رفتار الکتروکاتالیستی، نسبت اختلاط) مولی (بهینه پوششصها،( RuO۲(۳۰ )- TiO۲(۷۰،( IrO۲(۴۰ ) - TiO۲(۶۰و( IrO۲(۱۰ ) -RuO۲(۳۰ )- TiO۲(۶۰به دست آمد .بررسیصها نشان داد که افزودن پایدارکنندهصهایSnO۲ ، CeO۲ و La۲O۳ به پوششصها، منجر به بهبود پایداری و رفتار خوردگی پوششصها شده است به طوری که نسبت اختلاط بهینه پوششصها،( SnO۲(۱۰ )-RuO۲(۲۰ )- TiO۲(۷۰،( SnO۲(۱۵ )-IrO۲(۲۵ )- TiO۲(۶۰،( SnO۲(۱۰ )-IrO۲(۵ )-RuO۲(۲۵ )- TiO۲(۶۰،( CeO۲(۱۵ ) -RuO۲(۱۵ )- TiO۲(۷۰و( La۲O۳(۱۵ ) -RuO۲(۱۵ )- TiO۲(۷۰تعیین شد .همچنین مشاهده شد که در محلولNaCl ، پوشش( SnO۲(۱۰ ) -IrO۲(۵ )-RuO۲(۲۵ )- TiO۲(۶۰نسبت به بقیه پوششصها دارای بالاترین پایداری و عمر (min ۶۸۱) و کمترین پتانسیل تصاعد گاز کلر (V ۵۰/۰) و شیب تافل آندی (V/Decade ۰۷/۰) است .بنابراین خاصیت الکتروکاتالیستی این پوشش برای تصاعد گاز کلر در مقایسه با بقیه پوششصها بالاتر است .مقایسه رفتار خوردگی و الکتروکاتالیستی پوششصها در محلولصهای NaCl وH۲SO۴ نشان داد که تصاعد گاز اکسیژن در سطح این پوششصها در مقایسه با گاز کلر باعث تخریب سریع-تر الکترود شده است .بنابراین خاصیت الکتروکاتالیستی این صپوششصها برای تصاعد گاز اکسیژن کمتر از گاز کلر است، به طوری که برای پوشش( SnO۲(۱۰ ) -IrO۲(۵ )-RuO۲(۲۵ )- TiO۲(۶۰در محلولH۲SO۴ ، عمر و پتانسیل تصاعد گاز اکسیژن به ترتیب min ۵۴۷ و ۷۹/۰ V به دست آمد
Electrodes coated with mixed metal oxides are widely used in different industries such as chlor-alkali, cathodic protection, and oxygen production. These electrodes have advantages such as dimensional stability, low weight per surface unit, and high anodic current density. In these electrodes, titanium is used as a substrate due to its suitable price, high mechanical and chemical stability, and good electrocatalytic activity. The uncoated substrate is rapidly oxidized and can not play its role. Therefore, the use of mixed metal oxide coatings such as RuO2 and IrO2 is necessary. The aim of this project is to study the effect of SnO2, CeO2, and La2O3 stabilizers on the electrocatalytic properties of nanostructured TiO2-RuO2, TiO2-IrO2, and TiO2-RuO2-IrO2 coatings. In order to achieve optimal mixing ratio of the coatings, TiO2-RuO2, TiO2-IrO2 and TiO2-RuO2-IrO2 coatings with different molar ratios were prepared by sol-gel dip coating on titanium. Then, the effect of SnO2, CeO2, and La2O3 stabilizers on TiO2-RuO2 coating and the effect of SnO2 stabilizer on TiO2-IrO2 and TiO2-RuO2-IrO2 coatings were investigated. Determination of the heat treatment temperature of the coatings was done by thermal analysis (TGA/DTA). The morphology and topography of the coatings were studied by field emission scanning electron microscopy (FESEM) and atomic force microscopy (AFM), the adhesion strength was examined by scratch method (ASTM D3359), and the phase and elemental analysis were performed using X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive spectroscopy (EDS), respectively. Also, the corrosion properties and electrocatalytic behavior were investigated by polarization, cyclic voltammetry, and accelerated stability test (AST) in NaCl and H2SO4 solutions. The results showed that the morphology of all the coatings was cracked-mud microstructure and the morphology and microcracks are related to the molar ratios of oxides. In terms of corrosion properties and electrocatalytic behavior, TiO2(70 )-RuO2(30 ), TiO2(60 )-IrO2(40 ), and TiO2(60 )-RuO2(30 )-IrO2(10 ) coatings were suitable. Also, the addition of SnO2, CeO2, and La2O3 stabilizers to the coatings has improved the stability and corrosion behavior, so that TiO2(70 )-RuO2(20 )-SnO2(10 ), TiO2(60 )-IrO2(25 )-SnO2(15 ), TiO2(60 )-RuO2(25 )-IrO2(5 )-SnO2(10 ), TiO2(70 )-RuO2(15 )-CeO2(15 ), and TiO2(70 )-RuO2(15 )-La2O3(15 ) were optimal. It was also observed that TiO2(60 )-RuO2(25 )-IrO2(5 )-SnO2(10 ) exhibits the highest lifetime (681 min), the lowest chlorine evolution potential (0.50 V), and Tafel slope (0.07 V/Decade). Therefore, the electrocatalytic property of this coating is more suitable for chlorine evolution than the other coatings. Also, the results showed that the electrocatalytic properties of the coatings for oxygen evolution are lower than chlorine evolution, so lifetime and oxygen evolution potential for TiO2(60 )-RuO2(25 )-IrO2(5 )-SnO2(10 ) coating in H2SO4 are obtained 547 min and 0.79 V, respectively
The effect of stabilizers on electrocatalytic properties of nanostructural mixed oxide coatings on titanium