爆炸复合Pt/Ti电极的电化学性能

韩吉庆,邢 健,赵 涛,马小龙

(西安诺博尔稀贵金属材料有限公司,西安 710201)



爆炸复合Pt/Ti电极的电化学性能

韩吉庆,邢 健,赵 涛,马小龙

(西安诺博尔稀贵金属材料有限公司,西安 710201)

Pt/Ti电极作为一种优良的耐腐蚀复合材料，被广泛应用于海洋工业、氯碱工业及电子工业。根据铂层厚度及性能的差异，电镀与爆炸复合工艺均被广泛应用于Pt/Ti复合电极的工业化生产。采用SEM对爆炸复合Pt/Ti电极的表面及扩散层形貌进行了研究；采用PARSTAT4000型电化学分析仪对爆炸复合Pt/Ti电极试样的极化曲线(Tafel 曲线)及循环伏安特性曲线(CV 曲线)进行了测试，对比了电镀工艺Pt/Ti电极的电化学性能。结果表明,Pt/Ti复合电极的表面形貌对其电化学活性具有重要影响，爆炸复合工艺制备的Pt/Ti电极表面十分致密，沿着轧制方向具有明显的加工流线，抗腐蚀性能较佳；电镀工艺制备的Pt/Ti复合电极表面铂层呈颗粒状分布，增大了与溶液的实际接触面积，表面活性较好。

Pt/Ti复合电极；爆炸复合；表面形貌；界面；电化学性能

铂金属作为一种理想的惰性电极材料，在侵蚀性介质中具有优良的抗腐蚀性能及化学稳定性[1]，考虑到生产成本因素，通常将纯铂与钛、钽、铌等阀性金属(“rectifier” metals)进行复合，制备复合材料。在海洋环境或腐蚀性液体环境中，当铂层出现孔洞时，这类金属基体在极化电流的作用下会生成一层致密的氧化膜，阻止了金属基体的进一步腐蚀[2-4]。

相对于钽、铌等金属,钛具有价格优势，因此Pt/Ti复合电极得到了广泛的应用。研究者们应用了各种加工方法制备Pt/Ti复合电极，并对不同工艺Pt/Ti复合电极的电化学性能进行了研究。目前Pt/Ti复合电极主要的制备工艺有：电镀、化学气相沉积、爆炸复合及磁控溅射等。

张玉萍等[5]采用三电极体系测定了纯铂电极和镀铂电极的稳态阳极极化曲线。结果表明：镀铂电极的析氧电位较高，活性较好。

丁昊东[6]研究了化学镀铂前后，钛基体在浓度为0.5 mol/L H2SO4溶液中的循环伏安曲线，并和纯铂的电化学性能进行了比较。结果表明：钛基镀铂电极氢的两对吸、脱附峰不如铂片明显，但是峰电流值显著增大，主要原因是化学沉积的铂金属层呈现颗粒聚集的形态，其实际表面积要比纯铂金属大的多，所以反应活性好。

Igumenov[7]等研究了CVD法制备的Pt/Ti复合电极在人造海水(NaCl 31 g/L,Na2SO43 g/L)中的电腐蚀稳定性，工作表面为4.15 cm2,其中辅助电极为钛片电极，参比电极为AgCl电极，电极的电流密度为960 A/m2。

潘建跃[8]用CH1600A型电化学分析仪测定了电镀铂及磁控溅射铂的循环伏安特性曲线。镀铂的钛阳极面积为5 mm×5 mm。此试验的电位扫描区间大致为-1.0～0.4 V，电位在-0.8 V时的电流峰归因于氢的吸附，电位在0.15 V时的电流峰归因于氧的吸附。两对极峰的对称性均较差，表明可逆性不佳。同时由于试验所用磁控溅射铂的晶粒度达到了纳米级别，其实际表面积较电镀铂电极大，因此其电催化反应较电镀铂更加活泼。本工作采用爆炸复合加轧制方法制备了Pt/Ti复合电极，并采用SEM、电化学试验等方法研究了其性能，并与电镀工艺制备的Pt/Ti电极相比较。

1　试验

1.1试验材料

利用爆炸复合加轧制工艺制备Pt/Ti复合电极，成品铂层厚度大约30 μm，然后用线切割在成品板材上取10 mm×10 mm的正方形试样若干。

1.2试验

对爆炸复合Pt/Ti电极加工态试样的表面形貌、爆炸界面及电化学性能进行了研究。通过JSM-6460型扫描电镜对Pt/Ti电极的表面形貌及扩散层进行分析；同时用PARSTAT4000型电化学分析仪对Pt/Ti复合电极的极化曲线(Tafel 曲线)及循环伏安特性曲线(CV)进行了测试。试验溶液为室温下的0.5 mol/L的H2SO4溶液，电解池采用三电极体系，参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为石墨电极；极化曲线的起始电压为-0.5 V，终止电压为1.5 V，扫描速率5 mV/s；CV曲线电位扫描区间为-0.3～1.8 V，扫描速率为20 mV/s。文中电位若无特指,均相对于SCE。

2　结果与讨论

2.1扩散层形貌

图1为电镀及爆炸复合Pt/Ti电极试样的铂层形貌，电镀铂层呈颗粒状分布，与溶液的实际接触面积相对较大，表面活性好；爆炸复合铂层表面致密性较好，且沿轧制方向有明显的加工流线。

(a)　电镀工艺 (b)　爆炸复合工艺图1　不同工艺Pt/Ti电极铂层的SEM形貌Fig. 1　SEM morphology of Pt layer on Pt/Ti electrodes prepared by electroplating method (a) and explosive combination method (b)

爆炸复合Pt/Ti电极界面的结合情况对其使用寿命具有重要影响，爆炸复合界面是由周期性的熔化结合和直接结合组成的[9]。图2为爆炸复合Pt/Ti电极扩散层的表面形貌。由图2(a)可见,扩散层不明显，铂层厚度约为20～30 μm；由图2(b)可见,铂、钛两种金属为冶金结合，但是扩散层分布并不均匀，部分区域出现扩散层缺失现象；扩散层厚度大约为2 μm。

(a)　宏观 (b)　微观图2　爆炸复合Pt/Ti电极扩散层宏观和微观形貌Fig. 2　Macro (a) and micro (b) morphology of the interfaces of Pt/Ti electrode prepared by explosive combination method

2.2极化曲线(Tafel曲线)

图3为爆炸复合Pt/Ti电极在0.5 mol/L H2SO4溶液中的Tafel曲线，由图可知Pt/Ti电极试样阴极极化曲线的斜率大于阳极极化曲线的斜率，表明在与H2SO4溶液的电极反应过程中，Pt/Ti电极的腐蚀速率受阴极析氢反应控制[10]。

图3　爆炸复合Pt/Ti电极在0.5 mol/L H2SO4溶液中的极化曲线Fig. 3　Polarization curves of Pt/Ti composite electrode prepared by explosive combination method in 0.5 mol/L H2SO4 solution

2.3循环伏安曲线

图4为爆炸复合Pt/Ti电极在0.5 mol/LH2SO4溶液中的循环伏安曲线(CV)。

图4　爆炸复合Pt/Ti电极的循环伏安曲线Fig. 4　CV curve of Pt/Ti electrode prepared by explosive combination method in 0.5 mol/L H2SO4

从图4可以看出，Pt/Ti电极在-0.25 V时，阴极电流峰(表现为H的吸附)高于阳极电流峰(表现为H脱附)，但峰型较窄；图5为电镀Pt/Ti电极在0.5 mol/L H2SO4溶液中的循环伏安曲线(CV)[6]，在电极电位为-0.2 V处，出现了明显的对称峰，为H的吸附、解附，且可逆性较好。另一对称峰为氧的吸附、解附，可逆性较差。

图5　电镀Pt/Ti电极在H2SO4溶液中的循环伏安曲线Fig. 5　CV curve of Pt/Ti electrode prepared by electroplating method in 0.5 mol/L H2SO4

爆炸复合Pt/Ti电极的铂层活性相对电镀铂层较低，表现为H电流峰的峰型较窄，对称性较差；且仅有氧阴极电流的吸附峰，未见阳极电流的解附电流峰。电镀铂层的表面形貌为颗粒状分布，和溶液的实际接触面积较爆炸复合铂层大得多，因此活性较好。爆炸复合铂层在H2SO4溶液中阳极电流氧解附电流峰的缺失，表明了其具有更加优异的抗腐蚀性能，因为在0.5～5 mol/L的H2SO4溶液中，阳极极化产生铂氧化层，在阴极极化电流的作用下会使铂层产生腐蚀[11]。

3　结论

(1) 爆炸复合Pt/Ti电极表面具有明显的加工流线，且铂、钛两种金属为冶金结合，扩散层厚度大约为2 μm。

(2) 相对于电镀Pt/Ti电极，爆炸复合铂层的表面活性较差，但抗腐蚀性能较为优异。

[1]WALKIDEN G W,SC B. Platinum in anodes cathodic protection applications-part I[J]. Corrosion Technology,1962:14-16.

[2]张建华. 镀铂钛电极的研究[J]. 广东有色金属学报,2001,16(2):35,108-111.

[3]张玉萍，鞠鹤，武宏让. 铂复合电极研究进展[J]. 表面技术，2005,34(5):16-18.

[4]PREISER H S. Cathodic protection applications using platinum anodes[J]. Platinum Metals Rev,1959,3(2):38-43.

[5]张玉萍，鞠鹤，武宏让，等. 铂钛不溶性阳极研制[J]. 表面技术,2002,31(4):37-39.

[6]丁昊冬． 碱性镀浴中钛基体化学镀铂的研究[J]. 材料保护,2008,41(5):29-32.

[7]IGUMENOV I K,GELFOND N V,GALKIN P S,et al. Corrosion testing of platinum metals CVD coated titanium anodes in seawater-simulated solution[J]. Desalination,2001,136:273-280.

[8]潘建跃，陶自春，罗启富. 纳米级镀铂的钛阳极研究[J]. 机械工程材料,2003,27(12):23-25.

[9]杨扬，李正华，吕培成，等. 爆炸复合界面温度场模型及应用[J]. 稀有金属材料与工程,2000,29(3):161-163.

[10]JIANG Q,MIU Q,TONG F,et al. Electrochemical corrosion behavior of arc sprayed Al-Zn-Si-RE coatings on mild steel in 3.5% NaCl solution[J]. Transaction of Nonferrous Metals Society of China,2014,24(8):2712-2722.[11]FUMIHIRO K,YU K,AKIRA N,et al. Electrochemical corrosion of platinum electrode in concentrated sulfuric acid[J]. Journal of Power Sources,2007,172:698-703.

Electrochemical Behavior of Pt/Ti Electrodes Prepared by Explosive Combination Method

HAN Ji-qing, XING Jian, ZHAO Tao, MA Xiao-long

(Xi′an Noble Rare Metal Materials Co., Ltd., Xi′an 710201, China)

Pt/Ti electrodes as an excellent anti-corrosion complex material are wildly used for marine and underground cathodic protection, chemistry industry and electronic industry. According to the thickness and morphology of Pt layer, explosive combination and electroplating methods are used for fabricating Pt/Ti electrodes. The electrochemical properties of Pt/Ti electrodes prepared by explosive combination method were investigated, the morphology and interface were studied by scanning electron microscopy. The results show that the morphology of Pt layer played an important role in the electrochemical properties of Pt/Ti electrodes. The surface of Pt/Ti electrode prepared by explosive combination method was dense. There were obvious machining lines along the rolling direction on the surface of Pt/Ti electrodes prepared by explosive combination method, which improved the self-corrosion potentials. But Pt layer on the particle suface of Pt/Ti electrode prepared by electroplating method distributed as particles and owed relatively good surface activity.

platinized titanium electrodes; explosive combination; surface morphology; interface; electrochemical property

2014-12-17

韩吉庆(1974-),高级工程师,硕士,从事稀贵金属深加工方面的研究,13572833585,13572833585@139.com

10.11973/fsyfh-201512006

TG171

A

1005-748X(2015)12-1143-03