[发明专利]一种石墨烯复合金属氧化物电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯复合金属氧化物电极及其制备方法和应用，所述石墨烯复合金属氧化物电极包括钛基体和位于钛基体表面的复合涂层，所述复合涂层由下至上依次涂覆有下金属氧化物层、石墨烯填充多孔金属氧化物层和上金属氧化物层。该电极制备工艺简单，易操作，添加石墨烯后电极表面呈稀松多孔形貌，提高了涂层间的结合力；电催化活性得到提高，析氯电位降低而析氧电位提高。所制备的石墨烯复合金属氧化物电极通过钛、石墨烯以及金属氧化物层之间的协同作用，充分发挥钛、石墨烯以及金属氧化物层各自的性能优势之外，电催化活性、耐腐蚀性、耐冲击性优异，提高了电流效率和使用寿命。

技术领域

本发明属于电极材料领域，具体涉及一种石墨烯复合金属氧化物电极及其制备方法和应用。

背景技术

金属电极，dimensional stable anode(DSA)，又称形稳性电极。选用钛作为基体并在表面涂覆贵金属氧化物，所得到的钛基金属氧化物电极具有良好的抗弯性、电催化活性和电化学稳定性，因而在应用于许多领域，如电解提取冶金、电镀、制备氯碱、废水降解、有机电合成等。钛基金属氧化物电极按氧化物成分分类可分为Ru、Ir、Mn和Pb系电极。现今钛基金属氧化物电极制造工艺日趋成熟，但仍无法解决钛基金属氧化物电极的使用寿命较短的缺点。钛基金属氧化物电极失效的主要原因是：电解过程中贵金属氧化物不断溶解和产生的气体对涂层造成的持续冲击使涂层不断脱落，最终导致钛基体暴露并钝化。再加上贵金属氧化物成本高和电极后期耗电量大的特点，使得钛基金属氧化物电极的使用成本很高。

综上所述，现有钛基金属氧化物涂层在力学性能和耐腐蚀性能存在一系列有待解决的问题。因此，需要一种电流效率高、生产成本较低且寿命较长的电极材料。

石墨烯是由碳碳双键形成的基本结构单元苯环所组成，出色的电学性能使石墨烯广泛应用于感应器、电池和光电催化等领域。公开号为CN103526235 A的中国发明专利文献公开了一种钛/石墨烯/金属氧化物复合电极的制备方法：在钛基体上依次涂覆石墨烯和电解沉积金属氧化物层，制得一种钛/石墨烯/金属氧化物复合电极。采用上述制备的复合电极存在两个缺点：1、石墨烯与钛基体间的结合力较差，涂层易于脱落；2、钛基体上石墨烯层较厚，多余石墨烯会飘散在电解液中，影响电解体系。因此，钛/石墨烯/金属氧化物复合电极的使用寿命要小于普通的钛基金属氧化物电极。

石墨烯是由碳碳双键形成的基本结构单元苯环所组成，出色的电学性能使石墨烯广泛应用于感应器、电池和光电催化等领域。此外，石墨烯在机械强度、化学稳定性和抗渗透等性能表现也十分优异。本发明采用石墨烯与金属氧化物复合作为电极涂层，可充分发挥其复合结构的优势。石墨烯复合金属氧化物涂层有以下优点：(1)使涂层表面的孔隙率提高，增大了涂层的真实表面积，同时各金属氧化物涂层间的结合力更强；(2)石墨烯机械强度，使涂层结合地更牢固，减缓涂层的脱落；(3)石墨烯有很好的抗透性，能有效阻止氧分子与钛基体直接接触并造成钝化；(4)加入石墨烯能提高Ru、Ir氧化物的偏析现象，使涂层表面的活性组分提高。该电极材料为制备高寿命金属氧化物电极提供了新的技术途径。

发明内容

本发明的目的是开发一种新型的石墨烯复合金属氧化物电极，该电极具有电催化性好、耐腐蚀和使用寿命长等优点。

一种石墨烯复合金属氧化物电极，包括钛基体和位于钛基体表面的复合涂层，所述复合涂层由下至上依次涂覆有下金属氧化物层、石墨烯填充多孔金属氧化物层和上金属氧化物层。

本发明在复合涂层中添加石墨烯以提高涂层的导电性和抗冲击能力，适量的石墨烯能增强涂层中金属氧化物之间的结合力，利用石墨烯的抗腐蚀性和抗透性阻挡涂层腐蚀和钛基体钝化，同时发挥石墨烯的电化学性能，使该电极具有电催化性好、耐腐蚀和使用寿命长等优点。

所述石墨烯填充多孔金属氧化物层由石墨烯和金属氧化物组成，具有多孔结构且孔道中填充有石墨烯。

所述复合涂层的涂覆量为5～50g/m²。