А.К. Болвако, А.А. Черник, А.А. Поздеева, И.М. Жарский

Белорусский государственный технологический университет, г. Минск

Влияние анодного допирования на свойства электродных материалов на основе диоксида свинца

 

Химическая   и   нефтехимическая   отрасли   промышленного производства являются лидерами образования концентрированных отходов  I–II  классов   опасности.   К   этой   группе   относятся производства, связанные с выпуском и переработкой пестицидов, фармацевтических   препаратов,  красителей, растворителей и т.д. Актуальность разработки метода  обезвреживания   подобных   отходов   подтверждается   отсутствием  универсального экологически безопасного метода обезвреживания  смесей неизвестного состава органической природы. В ряде случаев наиболее оптимальным для применения в локальных системах водоочистного хозяйства является способ  обезвреживания   токсичных   органических   соединений,  осуществляемый за счет их глубокой окислительной деструкции в  жидкой фазе в активном растворителе (при этом окислитель не  добавляется извне, а генерируется электрохимически),

Достоинством такого метода является совмещение в  реакционном объеме нескольких процессов — синтеза окислителей,  окисления органического вещества в растворе и на аноде, а также его  деструкция   за   счет   восстановления   на   катоде   некоторых   групп. Эффективность  такого   совмещенного   процесса   значительно   выше,   чем   при  электрохимическом или химическом окислении [1].

В [2] показано, что добавки хлоридов оказывают положительное влияние на глубину анодной деструкции ацетона в кислой среде и его отсутствие в щелочной. Изучено влияние ацетона на гетерогенно-каталитический распад пероксида водорода и установлено, что имеет место отравление платины ацетоном по механизму блокировки. На основании адсорбционных и каталитических свойств показана возможность замены анодов из платинированной платины на аноды из диоксида свинца в реакциях анодного окисления ацетона как биологически жесткого компонента сточных вод.

Таким образом, разработка методов направленного синтеза новых материалов с заданными свойствами является одним из приоритетных направлений современной науки. При этом все большее внимание уделяется различным электрохимическим методам, позволяющим управлять составом и свойствами получаемых материалов путем изменения режимов электролиза и состава электролитов [3].

В настоящее время все более широкое применение находят такие окислители, как перекисные соединения щелочных металлов и озон. Значительные количества пероксосоединенений востребованы при отбеливании и окраске тканей, при производстве моющих средств, в органическом синтезе, для дезинфекции и обеззараживания.

Целью данной работы является исследование электрохимических свойств анодных электродных материалов на основе диоксида свинца, допированных анионами Cl, а также мелкодисперсными частицами нитрида циркония и диоксида свинца. Изучение электрохимической  активности электродных материалов проводилось в 1 М H2SO4, а также в растворах для промышленного синтеза пероксокарбонатов (№ 1) и пероксоборатов (№ 2). Состав электролита № 1, г/л: Na2B4O7∙10Н2О – 30; NaНСO3 – 125; Na2СO3 – 25; карбамид – 0,15. Состав электролита № 2, г/л: К2СO3 – 400; жидкое стекло – 0,2. 

Все электрохимические измерения проводились в стандартной электрохимической ячейке ЯЭС-1 с использованием потенциостата ПИ 50-1.1 в комплекте с программатором ПР-8. Электрод сравнения – хлорсеребряный. Температура поддерживалась термостатом UTU-7 с точностью ±0,2оС.

Анализ поляризационных кривых в растворе H2SO4 (рис. 1) показал, что активный анодный процесс в 1 М H2SO4 на всех электродах наблюдается при потенциалах положительнее 1,5 В и связан с процессом образования кислорода (Ео = 1,23 В). Наибольшую активность проявили электроды, допированные анионами Cl. Присутствие в объеме активного слоя электрода этих ионов, по всей видимости, активирует поверхность, снижая перенапряжение анодного процесса.

При потенциалах положительнее 2 В на поляризационных кривых наблюдается перегиб, возможно, связанный с изменением механизма анодного процесса, а также с вторичным процессом образования озона по реакции:

О2 + Н2О – 2е → О3 + 2Н+              Ео = 2,07 В.

 Поведение электродов в растворе № 1 значительно отличается от их поведения в H2SO4.  Существенный анодный процесс наблюдается на всех электродах при потенциале положительнее 0,8 В, что связано, по всей видимости, с процессом образования кислорода. В области потенциалов 1–1,5 В на всех поляризационных кривых наблюдается перегиб, возможно связанный с изменением механизма анодного процесса и образование соединений пероксидного типа. Наибольшую активность проявили электродные материалы без допирования, наименьшую – электроды, допированные ZrN.

Рис. 1. Поляризационные кривые в растворе 1 М H2SO4.  1 – PbO2, допированный ионами Cl; 2 – PbO2; 3 – PbO2, допированный частицами ZrN

 

Исследование анодного процесса в электролите № 2 показало сходные результаты с электролитом № 1 (рис. 2, 3). Однако, активность электродных материалов в последнем случае отличается более существенно. Показано, что электроды без допирования обладают большей электрохимической активностью.

Снижение каталитической активности допированных электродных материалов может быть обусловлено следующими причинами. В процессе допирования происходит изменение структуры поверхности PbO2 и, следовательно, стехиометрического соотношения Pb:O. В свою очередь меньшее соотношение Pb:O приводит к увеличению перенапряжения выделения кислорода  и способствует образованию высших кислородных соединений [4].

Рис. 2. Поляризационные кривые различных электродов в растворе для синтеза пероксобората.  1 – PbO2, допированный частицами PbO2; 2 – PbO2; 3 – PbO2, допированный частицами ZrN

 

Поэтому авторы предполагают, что применение данных материалов может положительно сказаться на процессе электросинтеза пероксобората и пероксокарбоната.

Таким образом, использование допированных электродных материалов позволяет в ряде случаев отказаться от использования драгоценных металлов, сохранив при этом высокую каталитическую активность и химическую стойкость.

 

Рис. 3. Поляризационные кривые различных электродов в растворе для синтеза пероксокарбоната

1 – PbO2; 2 –  PbO2, допированный Cl;  3 – PbO2 с частицами PbO2;

4 – PbO2, допированный частицами ZnN

 

Литература

 

1.     Волгина Т.Н., Кукурина О.С., Новиков В.Т. // Химия в интересах устойчивого развития. 13. 2005. С. 41-44.

2.     Электролитические свойства платины и диоксида свинца в реакции анодной деструкции ацетона / Т.М. Гришина, Ю.А. Боровский // Вестник Московского университета. Химия. – 1998. – т. 39. – № 2.   

3.     Электрохимический синтез и физико-химические свойства композиционных оксидных материалов / Величенко А.Б., Амаделли Р., Девильи Д.  // Вісник Харківського національного університету. – 2005. – № 648. – Вып.12 (35).

4.     Черник А.А., Жарский И.М,, Дрозодвич В.Б. // Электрохимия. 1997. – т. 33. – с. 284.