作者简介: 龙 萍(1963-), 女, 博士. E-mail: longping@hrbeu.edu.cn
通过热分解法制备了Ti/RuO2和Ti/Ru-La-O氧化物涂层, 利用微分电容和极化曲线等实验方法对涂层Clˉ特性吸附、La对RuO2涂层析氯反应过程的影响及反应机理进行了研究。结果表明, 在NaCl溶液中, 涂层表面存在Clˉ的特性吸附, 这种特性吸附对析氯反应的动力学产生了影响, 导致Tafel斜率上升, 反应级数下降, 加入La使氧化钌涂层的过电位下降, 交换电流密度增大, 有利于析氯反应的进行。本文对涂层存在的两种可能反应机理进行了比较分析, 认为在中性NaCl溶液中析氯反应是由
The Ti/RuO2 and Ti/Ru-La-O oxide coatings were prepared by thermal decomposition of the metal chlorides in the precursor solution. The specific adsorption of Clˉ on coatings, the effect of La on the chlorine evolution reactions (ClER) and the kinetic mechanism were investigated by using differential capacity (DC) and polarization curves (PC). Results show that the coating surface exhibits significantly specific adsorption of Clˉ in NaCl neutral solution, which has an influence on the kinetics of the chlorine evolution process, resulting in an increase of the Tafel slope and a decrease of the reaction order. The addition of lanthanum reduces the overpotential of Ti/RuO2 coating and enhances the exchange current density, which improves the chlorine evolution reaction of the coatings. Both kinetic mechanisms of recombination and electrochemical desorption of adsorbed intermediate species for the coatings are comparatively studied. It is confirmed that the Chlorine evolution reaction on Ru-La-O oxide coatings in NaCl neutral solution is controlled by the process of
钌基氧化物涂层具有很高的电化学活性, 多年来在氯碱工业、硫酸盐工业以及水电解、超电容、燃料电池等领域都受到极大关注。尽管人们对RuO2涂层的析氯反应机理做了大量工作[1, 2], 但所得到的数据却存在较大的分歧, 例如Tafel斜率就有120[3]、108[4]、40~50[5]、40[6, 7]、31~32[8]、38[8]和30 mV[9]等多种结果, 这种差异可能与阳极的制备工艺、表面吸附及氧化物表面状态等因素有关[10, 11]。由于反应机理的确证主要以动力学参数Tafel斜率和氯离子反应级数为依据, 因此到目前为止, 对钌基氧化物涂层析氯反应机理还没有获得一致认识。
已提出的析氯反应机理, 有Volmer-Tafel(再结合)机理[12]、Volmer-Heyrovsky(放电解析)机理[5]、Kristalik机理[13]以及阳极催化活性物参加反应的机理[14, 15]等等, 其中Volmer-Tafel机理及Volmer- Heyrovsky机理被许多研究者证实并用于解释各自的实验现象。Volmer-Tafel机理认为, 在电极表面发生了如下反应:
其中º S为表面活性点, Cl* 为吸附氯, 第二步是两个吸附Cl* 再结合释放的过程, 为速度控制步骤(rds)。而对于Volmer-Heyrovsky机理, 第二步发生如下反应
该步骤是析氯反应的速度控制步骤。这两个机理与表面Cl* 覆盖度有很大的关系。当表面Cl* 覆盖度较高时, 一般发生再结合过程; 而当覆盖度较低时, 一般可能发生放电解析过程[16]。
在RuO2氧化物电极中添加其他元素, 可以提高其催化活性, 降低成本[17, 18, 19]。有研究表明, 稀土元素能够有效提高钌基氧化物涂层的催化活性[20, 21], 其中La对电化学活性的影响最为明显[22]。但到目前为止, 关于镧对钌基氧化物涂层析氯过程的动力学影响还未见报道。在前期对钌镧氧化物涂层成分、表面结构、双电层界面及电化学活性等研究的基础上[23, 24, 25], 本工作利用极化曲线、微分电容等实验技术对该体系涂层的析氯反应机理作了进一步研究, 为钌镧基系列氧化物涂层的研究提供实验和理论依据。
将前驱物氯化钌(RuCI3• 3H2O, 上海贺利氏工业技术材料有限公司, 分析纯)和氯化镧(LaCl3• 7H2O, 分析纯)分别溶解于异丙醇(CH3CH(OH)CH3, 分析纯)和乙醇(CH3CH2OH, 分析纯)溶液中, 然后用搅拌器将二者按一定比例(Ru: La=7: 3)混合均匀, 配置成涂液。
将TA2钛基材(100 mm× 100 mm× 1.5 mm), 经轧制、喷砂和碱洗后, 放入10%沸腾的草酸溶液中刻蚀2 h, 然后将其放入装有80℃去离子水的超声波清洗仪中清洗15 min, 烘干。将配制好的涂液均匀涂刷在刻蚀后钛板的两面, 放入烘干箱中120℃烘干10 min, 然后送入箱式电阻炉中450℃烧结10 min, 再进行涂刷、烘干和烧结处理, 反复数遍, 直至总氧化物载量达到约10 g/m2, 停止涂刷, 最后在箱式电阻炉中450℃烧结1 h, 退火。
采用日本JSM-6700F场发射扫描电子显微镜(SEM)自带能谱仪(EDS)对涂层进行了成分分析, 分析结果表明, Ru-La-O氧化物涂层中Ru含量为63.93at%, La含量为36.07at%, 与设计成分接近, 如图1所示。
利用德国IM6电化学工作站进行极化曲线和微分电容测试。采用经典三电极体系, EG& G标准电解池, 工作电极即上述氧化物阳极, 其暴露工作面积为1 cm2, 辅助电极为铂片, 参比电极为饱和甘汞电极(SCE), 以饱和KCl鲁金毛细管作盐桥, 极化曲线扫描速度为1 mV/s, 电解质溶液取浓度分别为2、3、4和5 mol/L的NaCl溶液。在电位范围为-1.6~0.8 V, 测试频率为50 mHz, 步宽为5 mV, 间隔20 s下测试微分电容, 电解质溶液取浓度分别为0.001、0.01及0.1 mol/L 的NaCl溶液。
在Volmer-Tafel机理中(反应式(1、2)), 第一步为Clˉ 在电极表面放电反应, 形成化学吸附氯, 在这个过程中S(Run+→ Run+1)被氧化或部分被氧化。第二步为两个吸附氯再结合, 脱离表面释放Cl2, 在Frumkin 吸附条件下, 其动力学方程为[16]:
其中k2为反应(2)速度常数, θ Cl* 为吸附Cl* 的覆盖度, 当反应(1)为准平衡时, 则有:
其中K1=k1/k-1为反应(1)的平衡常数, 将其代入(4)式中, 则有
变换方程(6)的形式, 则可得到
利用方程(7)绘制
图3为k2和K1随溶液Clˉ 浓度变化的曲线, 从图中可以看到, 随着溶液浓度增大, 反应k2明显增大, 这与表面吸附Cl* 增加有关。而Ti/Ru-La-O的k2明显大于RuO2, 表明前者Cl* 的覆盖度高于后者。
氧化物涂层的微分电容是在不发生析氯反应的电位区间测量的数据, 曲线对应最小电位值为pzc。由于氧化物涂层表面粗糙多孔, 因此其pzc对应的电容值要比光滑的金属表面电容高很多[26]。从图4可以看到, 随着溶液浓度的增加, pzc向负偏移, 这表明氯离子显著影响了双电层的结构, 这是因为在单一电解质溶液中阴离子比阳离子更容易靠近电极表面, 因此导致pzc随着氯离子浓度增加而向负方向偏移。巴德等认为, 此电位偏移标志着特性吸附[27, 28, 29]。此外, 我们还注意到随着电位不同, 在最小值两端吸附/解析的电位也不同, 这是由于在电解质表面存在Clˉ 和OHˉ 的竞争性吸附所致[30]。根据文献[28]表面OH可能经历如下反应:
随着电位增加, 电容增大并逐渐达到最大值, 这是
由于随着表面碱性点的增多, 更有利于Clˉ 的吸附, 即发生如下吸附过程:
根据实验结果, 随着Clˉ 浓度增加, pzc负移且电容明显增大, 表明特性吸附的存在以及特性吸附对表面氧化层电荷的影响[29]。与纯RuO2比较(见图5), Ti/Ru-La-O 的pzc及最大吸附峰显示出更明显的负偏移(见图4(a)), 显然加入La明显增强了Clˉ 的特性吸附作用。Takasu等[31]研究发现, 在Ru基电极中加入La, 能够在RuO2表面产生多孔结构, 这必然造成表面活性点数目的增多, 也因此提高了表面碱性点的数目, 从而对表面Clˉ 有更大吸附作用, 这应该是加入La能有效提高Clˉ 特性吸附的主要原因。
在NaCl溶液中分别对RuO2和Ru-La-O氧化物涂层做极化曲线, 根据该曲线得到析氯反应动力学参数列于表1。从表1可以看到, 加La的氧化物涂层a减小, i0增大, 过电位η 下降, 表明该电极比纯RuO2具有更好的电化学性能, 这与我们前期的实验结果相符。Ti/RuO2和Ti/Ru-La-O的Tafel斜率分别为129和168mV。
图6为在不同浓度NaCl溶液中测得的E-lgi关系曲线, 图中曲线存在近似平行关系, 表明Tafel斜率不随溶液中氯离子浓度发生变化。图7是一定电位下的lgi-lgc关系图, 根据反应级数的定义:
因此, 利用图7即可求出RuO2和Ru-La-O 氧化物涂层的反应级数分别为0.53和0.43。
Conway等[16]认为应该考虑在浓度较高的溶液中吸附物间的相互作用, 对于Volmer-Heyrovsky机理, 若考虑吸附物相互作用的影响, 则其动力学方程应为:
其中k3为反应(3)速度常数, β 为对称因子, g为横向相互作用参数, 其Tafel斜率为:
根据该机理得到的反应级数p为:
根据(式12)和(式13)式绘制Tafel斜率, 反应级数p与吸附物覆盖度θ 的关系曲线如图8所示, 这里取β =0.5。从图8可以看到, 当覆盖度θ → 0时, b=2RT/ 3F=40 mV, p=2; 当θ → 1时, b=2RT/F=118 mV, p=2-θ 。这表明在所有覆盖度范围内Tafel斜率不会超过118 mV, 反应级数也不会小于1。显然, 根据Volmer- Heyrovsky机理不能解释本实验结果。
如果将吸附Cl在表面氧化膜上再结合作为速度控制步骤, 则在考虑吸附离子相互作用影响的条件下, 其动力学方程改为:
根据该公式得到的Tafel斜率和反应级数分别是:
图9给出Volmer-Tafel下Tafel斜率和反应级数p与吸附物覆盖度θ 的关系曲线。从图中可以看到, 当θ → 0时, b=RT/2F=30mV, p=2; 当θ → 1时, b→∞ , p→ 0。根据我们微分电容实验结果, 由于特性吸附现象的存在导致表面Cl* 覆盖率很高, 在高电流密度时Tafel斜率上升到较高的值, 因此测出的结果大于118 mV, 而反应级数也远低于1, 这一结果与高覆盖度下的Volmer-Tafel机理结论相符, 说明析氯反应是吸附Cl* 在表面再结合生成Cl2作为反应过程的控制步骤, 且由于La的加入使表面氯的特性吸附增强, 导致Tafel斜率增大和反应级数的下降。此外, 从图9可以看到, 随着Cl* 表面覆盖度的增加, 吸附物间的相互作用也增大, 引起Tafel斜率迅速增加, 这也是钌镧氧化物涂层比纯RuO2涂层具有更高Tafel斜率的原因。
本研究以钌镧氧化物涂层为研究对象, 以Ti/RuO2涂层作为对比, 通过微分电容和极化曲线等实验技术研究了电极涂层表面的特性吸附、La对析氯反应的影响及析氯反应的机理, 认为在NaCl的中性溶液中, 电极表面存在Clˉ 的特性吸附, 这种特性吸附对析氯反应的动力学产生了影响, 导致Tafel斜率上升, 反应级数下降。加入La使电极的过电位下降, 交换电流密度增大, 这有利于析氯反应的进行。根据实验数据对Volmer-Heyrovsky和Volmer-Tafel机理的比较分析, 可以认为, 发生该氧化物涂层的析氯反应符合Volmer-Tafel机理过程。