2結果與討論

2.1理化分析

圖1為所制備IrO2/A-Ti析氧電極的SEM圖。

圖1 IrO2/A-Ti析氧電極的SEM圖

從圖1可知，通過制備過程參數的優化，對所制備的電極基體進行退火處理負載IrO2后，制得了具有納米管陣列結構的有序化析氧電極。納米管呈空心狀，分布均勻，孔徑大小為100～130 nm，未出現坍塌。

圖2為IrO2/A-Ti析氧電極的能量色散譜(EDS)。

圖2 IrO2/A-Ti析氧電極的EDS

從圖2可知，有序化析氧電極的主要元素包括Ti、O和Ir。上述結果表明，實驗制備了具有獨特微結構表面特性的有序化析氧電極。

圖3為IrO2/A-Ti析氧電極的XRD圖。

圖3 A-Ti電極和IrO2/A-Ti析氧電極的XRD圖

圖3中，在28.6°、34.7°、54.1°和66.2°處出現了衍射峰，與標準卡片對比可知，為IrO2(110)、(101)、(211)和(112)晶面的特征衍射峰。在IrO2/A-Ti析氧電極中，IrO2和鈦表面氧化的TiOx的衍射峰存在重疊，且未觀察到IrO2和TiOx衍射峰位置的明顯偏移，證明活性組分IrO2已經負載到基體材料上，但推測有序化基體的使用，并未對IrO2活性組分的相結構產生影響，仍以兩個單獨的分離相存在。在IrO2/A-Ti析氧電極中，IrO2的衍射峰出現明顯寬化，表明制得的IrO2粒徑尺寸較小，經Scherrer公式計算，約為5 nm。

2.2析氧電極電化學性能測試

為評估基體材料對活性組分析氧電催化活性的影響，對不同析氧電極的電化學活性面積進行考察。不同析氧電極的CV測試結果見圖4。

圖4不同析氧電極的CV曲線

從圖4可知，不同析氧電極有相似的IrO2氧化還原過程，存在兩對氧化還原峰:位于0.60 V附近的峰對應于Ir(Ⅲ)/Ir(Ⅳ)氧化還原電對;位于0.95 V附近的峰對應于Ir(Ⅳ)/Ir(Ⅵ)氧化還原電對。對掃描速度為20 mV/s時獲得的CV曲線陽極部分積分得到的伏安電量，可定性評價電催化劑的催化活性面積。伏安電量越高，表明催化活性面積越大。A-Ti電極基體表面具有獨特的氧化鈦納米管陣列微結構，不僅能提供充足的表面，形成對活性組分IrO2更好的物理分散，還有助于形成連續的電子傳輸通道，提供更合適的傳質通道，有利于建立多相催化界面電催化活性位點[7]。

不同析氧電極的Nyquist圖見圖5。

圖5不同析氧電極的Nyquist圖

從圖5可知，IrO2/A-Ti電極的歐姆阻抗小于IrO2/N-Ti電極，推測可能與陽極極化有關。A-Ti表面的鈦基氧化物鈍化層被充分去除后，在負載IrO2過程發生氧化，生成TiOx;而未經陽極極化處理的N-Ti表面，可能存在更多的TiO2鈍化層，導致電子傳導能力較差;此外，納米管陣列微結構形成的連續電子傳輸通道，也有助于降低歐姆阻抗。與IrO2/N-Ti電極相比，IrO2/A-Ti電極的電荷轉移阻抗更低，析氧電極表面有序化結構有利于建立連續化氣-液傳質通道，提高析氧催化反應所需的電子、質子傳輸能力，降低電化學反應阻力，對電催化劑催化活性的提升起到關鍵作用。

不同析氧電極的面積活性極化曲線見圖6。

圖6三電極體系下不同析氧電極的面積活性極化曲線

從圖6可知，析氧電極的電流密度隨著施加電極電位的升高而增大。電流密度為10.0 A/cm2時，IrO2/A-Ti電極和IrO2/N-Ti電極的過電位分別為1.325 V(vs.Ag/AgCl)和1.343 V(vs.Ag/AgCl)，表明IrO2/A-Ti電催化劑具有更好的析氧電催化活性。與IrO2/N-Ti電極相比，IrO2/A-Ti電極因具有納米管陣列的有序化微結構，不僅對活性組分形成了良好的分散，提升了電催化活性面積，還提高了電極內部的電荷轉移能力，降低了電化學反應阻力，進而提升了催化劑的利用率和性能。

2.3析氧電極電解單池測試

IrO2/N-Ti電極和IrO2/A-Ti電極作為析氧工作電極時的電解單池性能極化曲線見圖7。

圖7電解單池中不同析氧電極的面積活性極化曲線

從圖7可知，IrO2/N-Ti電極在高于0.8 A/cm2的電流密度下，出現了明顯的濃差極化。表明在高電流密度下，氣泡效應嚴重影響了析氧電極電催化界面的電子、氣體和液體傳輸，引起較大的濃差極化過電位損失。IrO2/A-Ti電極在高于3.5 A/cm2的電流密度下，仍沒有出現明顯的濃差極化，得益于有序化的納米管陣列結構以及高電子導電性的TiOx組分。IrO2/A-Ti電極不僅具有更高的比表面積，對IrO2形成較好的物理分散，提高了催化劑利用率，而且有序膜電極具備低表面氣體附著力，可保證良好快速的電子、氣體和液體傳輸通道，將有助于進一步提高電極中催化劑的利用率、改善濃差極化的影響[2]。實驗結果表明:通過微結構控制手段制備有序化電極，可對PEM水電解池的功率特性產生顯著影響，但需進一步的應用研究提供理論與技術支持。

3結論

本文作者采用陽極極化法，構建了具有有序化納米管陣列結構表面的電極基體(A-Ti)，并負載活性組分IrO2，獲得析氧電極(IrO2/A-Ti)。采用SEM、EDS和XRD等測試，對IrO2/A-Ti的微結構、組分和相組成進行了分析。

實驗結果表明，已制備出孔徑約為100～130 nm，且分布均勻的有序化納米管陣列。負載活性組分后，電極表面存在IrO2和TiOx兩相。分別在三電極體系與電解單池中評估測試了IrO2/A-Ti和未構建有序化納米管陣列結構電極(IrO2/N-Ti)的電化學性能。IrO2/A-Ti不僅能更好地分散IrO2，獲得較高的電催化活性面積，還改善了電極內部的電荷轉移能力以及氣體和液體傳輸能力。當電流密度為10.0 A/cm2時，IrO2/A-Ti具有更低的電極電位，僅1.325 V(vs.Ag/AgCl);同時，IrO2/A-Ti具有更好的電解單池性能，在3.5 A/cm2的電流密度下未受濃差極化的影響，催化劑利用率得到提升。