一种Ti4O7陶瓷电极的制备方法与流程

一种ti4o7陶瓷电极的制备方法
技术领域
1.本发明涉及导电材料领域，更具体地说，涉及一种ti4o7陶瓷电极的制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着社会发展，环境污染越来越严重，特别是对水体的污染，已经对生态环境造成了破坏，甚至影响到人的生产生活。因此，解决水污染问题越来越引起人们重视。ti4o7陶瓷电极具有ti
n
o
2n
‑1化学通式的亚氧化钛独特的物理、化学及电化学性能，包括优异的导电性，其导电率为1500s/cm，远高于石墨；极强的化学稳定性，耐强酸强碱；有宽的禁带宽度，禁带宽度可达3.0v以上，在降解有机废水领域有很广阔的实用前景。
3.现有技术中亚氧化钛块体材料主要制备方法是将二氧化钛粉末与金属钛粉末混合后进行反应和烧结而成。亚氧化钛是通过金属钛夺取二氧化钛中一定量的氧而形成氧缺陷，原始反应物粒度越细，分数越均匀，反应速度越快。二氧化钛可以采用多种方法制备成超细粉体，而由于钛金属在制成细粉状态时易与氧反应，很难获得超细钛粉，因而现有技术在制备块体材料时所用时间长达三天以上。而其他制备亚氧化钛块体材料的方法，如氢化钛，都需要添加其它辅料，这样不仅生产工艺复杂，而且提高了生产成本。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种ti4o7陶瓷电极的制备方法，以解决现有技术需要添加其他辅料，制备困难且周期长，导致生产工艺复杂，而且生产成本高的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种ti4o7陶瓷电极的制备方法，包括以下步骤：
6.s1：将二氧化钛和粘结剂按照8:2的比例充分混匀研磨，压制后得前驱体基体片；
7.s2：将步骤s1制得所述前驱体基体片，在h2和n2气氛下，以5
‑
10℃/min的升温速率加热至1000
‑
1150℃后，煅烧3～5h后冷却至室温，获得ti4o7陶瓷电极。
8.优选的，步骤s1中所述粘结剂包括按1:1的比例混合的聚丙烯粉和聚乙烯醇缩丁醛。
9.优选的，所述粘结混合后粉末粒度5
‑
10μm。
10.优选的，步骤s1中所述二氧化钛为锐钛矿型。
11.优选的，所述二氧化钛粒度为1
‑
2μm。
12.优选的，步骤s2中所述h2和n2的体积比为1
‑
2:1。
13.优选的，步骤s1中所述压制的压力为50
‑
100mpa。
14.优选的，所述前驱体基体片包括正方形、三角形、长方形、圆方形。
15.本发明有益效果为：
16.(1)ti4o7是ti
n
o
2n－1
中导电性能最佳的材料，同时它还拥有诸多优异的性质如敏锐的光响应能力、较强的耐酸腐蚀性和较好的电化学稳定性，本发明采用通h2热还原技术，获得的导电陶瓷电极为ti4o7，本方法制得产品表面没有氧化钛钝化层，反应活性更高，相同实验条件下催化效率是普通二氧化钛阳极材料的3倍；
17.(2)本发明制备的ti4o7表面存在大量孔隙，相对于现有技术中同体积无孔隙、少孔隙ti4o7材料来说拥有更大的表面积,与降解的废水有更大的接触面积，利于
·
ooh,
·
oh和
·
o的产生，对有机污水有更强的降解作用，相较于现有技术制备的ti4o7导电材料，对染料废水的降解率提升了12％左右；
18.(3)由于金属钛相对活泼，易与氧反应很难获得超细钛粉，因而现有技术在制备块体材料时间长达三天以上；本发明制作工艺简单、缩减成本，大幅缩短了ti4o7导电陶瓷电极的制作周期。
附图说明
19.图1是锐钛型二氧化钛前驱体基体片表面宏观图；
20.图2是锐钛矿型二氧化钛的xrd衍射图；
21.图3是ti4o7陶瓷电极表面宏观图；
22.图4是ti4o7陶瓷电极表面扫描电子显微镜(sem)图；
23.图5是图4的局部放大图；
24.图6是ti4o7陶瓷电极的(xrd)图；
25.图7是ti4o7陶瓷电极作为阳极材料降解活性艳兰kn
‑
r效果图。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
27.下述实施例中，如无特殊说明，所使用的实验方法均为常规方法，本发明所用的二氧化钛粉末购于中国医药(集团)上海化学试剂公司，所用粘结剂均购于麦克林化学试剂有限公司。
28.一种ti4o7陶瓷电极的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
29.s1：用玛瑙研钵将二氧化钛粉末和粘结剂混合后粉末按照8:2的比例充分研磨，研磨至混匀，将混合物放入模具内，在50
‑
100mpa压力下进行压制，制得前驱体基体片。
30.所述二氧化钛粉末为锐钛矿型，混合后粉末粒度为1
‑
2μm；粘结剂混合后粉末粒度5
‑
10μm。
31.所述粘结剂的成分为1:1的聚丙烯粉(pp)和聚乙烯醇缩丁醛(pvb)。
32.s2：将所述步骤s1中制得前驱体基体片，架空放置在陶瓷舟中,将陶瓷舟放置于管式炉中，封闭管式炉。通入h2和n2体积比为1～2:1的混合气体，排出空气20min,以10℃/min的升温速率加热至1000℃后，煅烧4h，保温结束后冷却至室温获得ti4o7陶瓷电极。
33.所述前驱体基体片包括正方形、三角形、长方形、圆方形。
34.实施例1
35.一种ti4o7陶瓷电极的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
36.s1：用玛瑙研钵将二氧化钛粉末和粘结剂粉末按照8:2的比例充分混匀研磨，将混合物放入模具内，在60mpa压力下进行压制，制得前驱体基体片。如附图1所示为将混合物放入模具内进行压制，锐钛型二氧化钛前驱体基体片表面宏观图。附图2为锐钛矿型二氧化钛的(xrd)图，从图中可以看出样品xrd曲线的峰与锐钛矿型二氧化钛的pdf标准卡片相对应，可以证明所用的原料为锐钛矿型二氧化钛。
37.所述二氧化钛粉末为锐钛矿型，粒度为2μm；粘结剂的粉末粒度为10μm。
38.所述粘结剂的成分为1:1的聚丙烯粉(pp)和聚乙烯醇缩丁醛(pvb)。
39.s2：将所述步骤s1中制得前驱体基体片，架空放置在陶瓷舟中,将陶瓷舟放置于管式炉中，在空气中以10℃/min的升温速率加热至1000℃后，煅烧4h，保温结束后冷却至室温获得二氧化钛电极。将前驱体基体片，架空放置在陶瓷舟中,将陶瓷舟放置于管式炉中，封闭管式炉。通入h2和n2体积比为1:1的混合气体，排出空气20min，以10℃/min的升温速率加热至1000℃后，煅烧4h，保温结束后冷却至室温获得ti4o7陶瓷电极。附图3所示为ti4o7陶瓷电极表面宏观图。附图4
‑
5为ti4o7陶瓷电极表面扫描电子显微镜(sem)图，从图中可以看出ti4o7陶瓷电极表面存在大量孔隙，相对于同体积无孔隙、少孔隙材料来说拥有更大的表面积,与降解的废水有更大的接触面积，也就意味着同体积下拥有更多的反应位点。附图6为ti4o7陶瓷电极的(xrd)图，从图中可以看出样品xrd曲线的峰与ti4o7的pdf标准卡片相对应，可以证明按照实验过程所生产的材料为ti4o7。
40.本实施例中，所述前驱体基体片为圆方形，但不局限于圆形，具体也包括正方形、三角形、长方形。
41.实施例2
42.将实施例1制备的ti4o7陶瓷电极和二氧化钛电极作为阳极材料降解活性艳兰kn
‑
r的实验：
43.实验装置即光催化活性测试装置由光源、磁力搅拌器、光催化反应器及光催化可调直流稳压电源四部分构成。光源为175w氙灯，插入光催化反应器内，保证光线可以直接照射在工作电极上；磁力搅拌器的作用是确保染料浓度保持在一个相对均匀的状态；光催化反应器为石英回流冷却套管，采用石英材质是为了保证紫外光可以有效通过套管。整个反应期间，持续向套管内通入冷凝水，保证整个反应体系温度在一定范围内。
44.配置浓度为60mg/l活性艳蓝kn
‑
r溶液250ml，并向其中加入3.55g无水硫酸钠(na2so4)作为支持电解质，将配置好的活性艳蓝kn
‑
r溶液倒入光催化反应器作为模拟染料。将实施例1制备的ti4o7陶瓷电极作为反应阳极，以铂片作为反应阴极，插入反应器内，平行放置，然后打开冷凝水和搅拌器，待溶液完全混匀后，用5ml移液枪取反应器液体3ml，作为1#样本。不开光源，先进行30min暗反应，使染料和催化剂达到吸附
‑
脱附平衡状态。暗反应结束后，用5ml移液枪取反应器液体3ml，作为2#样本。打开光源开始光电催化反应，光电反应持续120min。在整个光反应过程中，每隔20min用5ml移液枪取反应器液体3ml，依次排序为3#样本、4#样本
……
7#样本。
45.实验结束后用uv759型紫外分光光度计(上海仪电分析仪器有限公司)测定所有样本在592nm处的吸光度，按式1计算活性艳兰kn
‑
r的降解率，实验结果见附图7，可以看出相同实验条件下催化效率是白色二氧化钛作为阳极材料的3倍。
46.d＝(a0‑
a
t
)/a0*100％
ꢀꢀ
式1
47.式中：
48.d
‑
降解率，％；
49.a0‑
活性艳蓝kn
‑
r溶液的初始吸光度；
50.a
t
‑
降解t时刻的活性艳兰kn
‑
r的吸光度。
51.ti4o7陶瓷电极作为阳极材料，在暗反应阶段结束后，结果显示对活性艳蓝kn
‑
r无
催化降解效果。在光反应阶段，随时光催化时间的延长，活性艳蓝kn
‑
r的降解效率逐渐提高，反应结束后，活性艳蓝kn
‑
r的降解率达到75.28％。这是因为在光电作用下，ti4o7陶瓷电极价带电子可被激发到导带，形成电子和空穴，与吸附在其表面上的o2和h2o相互作用，生成具有强氧化分解能力的自由基，作为电极材料，高效催化降解活性艳蓝kn
‑
r。
52.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。