تشير الأقطاب الكهربائية بشكل أساسي إلى الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة في نظام البطارية الأساسي ومواد الكاثود والأنود في نظام الخلايا الإلكتروليتية. يتم التمييز حسب اتجاه تدفق التيار: أحد طرفي تيار الدخل يسمى الأنود، ونهاية تيار الخرج يسمى الكاثود.
إذا تم تمييزها بنوع التفاعل على الأنود: الأنود الذي يحدث فيه تفاعل الأكسدة والكاثود الذي يحدث فيه تفاعل الاختزال. باعتبارها المكون الأساسي في نظام التفاعل الكهروكيميائي، فإن مادة الأنود لها تأثير مهم على معدل التفاعل وآلية التفاعل واستهلاك الطاقة أثناء عملية التفاعل. لذلك، في سياق نقص الطاقة وصعوبة معالجة مياه الصرف الصحي، فإن تطوير مواد أنود جديدة عالية الأداء له أهمية نظرية مهمة وقيمة اقتصادية للإنتاج الصناعي.
في نظام التفاعل الكهروكيميائي، يحدث تفاعل الاختزال بشكل رئيسي عند الكاثود، وبالتالي فإن متطلبات مواد الكاثود ليست صارمة للغاية. تخضع مادة الأنود بشكل أساسي لتفاعل أكسدة أثناء عملية التفاعل، مما يتسبب في فقدان مادة الأنود بسهولة واستبدالها بشكل متكرر أكثر من مادة الكاثود. تحتاج مواد الأنود ذات الأداء الممتاز إلى تلبية متطلبات مثل التوصيل الكهربائي الجيد، والنشاط التحفيزي العالي، والاستقرار الجيد، وقوة ميكانيكية معينة. أصبحت كيفية تطوير مواد الأنود بالخصائص المذكورة أعلاه موضوعًا ساخنًا للبحث من قبل الباحثين المحليين والأجانب.
لقد عزز التطوير المستمر لصناعة التحليل الكهربائي تقدم وتطوير مواد الأنود. نجحت شركة EG Acheson في إنتاج الجرافيت الاصطناعي باستخدام طريقة التبلور الكهروحراري في عام 1896، وحققت إنتاجًا صناعيًا في صناعة الملح الكهربائي.
باعتباره مادة أنود، وجد أن أنود الجرافيت لديه العيوب التالية أثناء استخدامه الصناعي على المدى الطويل: عندما يكون المنحل بالكهرباء حمضيًا، فإن عملية التحلل التحفيزي الكهربائي تكون مصحوبة بتفاعل تطور الأكسجين، وتتأكسد مادة الكربون بسهولة، مما ينتج عنه في الجرافيت تتوسع مادة الأنود، وتشوه، وتسقط، وتتحول إلى خبث؛ عيب آخر هو أن مادة الكربون لديها مقاومة ضعيفة لدرجات الحرارة العالية وقوة ميكانيكية ضعيفة، وقد تنكسر أثناء المعالجة والنقل. ولذلك، يبحث الناس عن الأنودات المعدنية لتحل محل الأنودات الجرافيت لتلبية احتياجات التنمية الصناعية. أكبر مشكلة في الأنودات المعدنية هي تخميل الأنود. من السهل أن تتشكل أفلام التخميل على السطح، مما يتسبب في تقليل النشاط التحفيزي للأنودات المعدنية أو حتى فقدان النشاط، مثل أنودات الحديد وأنودات النحاس. تتمتع أنودات البلاتين بنشاط تحفيز كهربائي عالي وكفاءة تيار عالية، لكن معدن البلاتين باهظ الثمن، مما يحد من نطاق تطبيقه. في عام 1948، تم تحقيق تقدم كبير في تحضير معدن التيتانيوم وتم تحقيق الإنتاج الصناعي. ويعزى ذلك بشكل رئيسي إلى اختراع الدكتور دبليو كلور من الولايات المتحدة طريقة الاختزال الحراري للمغنيسيوم والتحضير الناجح لإسفنجة التيتانيوم. من الممكن استخدام التيتانيوم كمادة أساسية للأنود لتحضير أنودات جديدة. في عام 1959، اقترح الباحثون مفهومًا جديدًا: استخدام معدن التيتانيوم كمادة أساسية وأكسيد المعدن كطبقة نشطة لتطوير أنود معدني جديد. في عام 1968، أخذت شركة DeNora الإيطالية زمام المبادرة في تصنيع أنودات H.Beer المطلية بالروثينيوم والتيتانيوم، ودخل تطوير أنودات التيتانيوم فصلًا جديدًا.
1. طريقة تحضير أنود التيتانيوم
(1) طريقة التحلل الحراري
تتمثل طريقة التحلل الحراري في تطبيق المحلول العضوي أو المحلول المائي لأكسيد المعدن بالتساوي على سطح الركيزة المعالجة مسبقًا، ثم الخضوع للتجفيف بدرجة حرارة منخفضة والأكسدة بدرجة حرارة عالية وعمليات أخرى للحصول على فيلم الأكسيد المطلوب. تتمثل مزايا هذه الطريقة في المعدات والعملية البسيطة، وسمك الطلاء الذي يمكن التحكم فيه، وتشكيل العديد من الشقوق على سطح الأنود، مما يزيد من مساحة السطح المحددة للطلاء ويحسن النشاط التحفيزي للأنود. العيب هو أن الشقوق العميقة مثل الشقوق الطينية من السهل أن تتشكل على سطح الطلاء، والطلاء من السهل أن يسقط.
(2) طريقة سول جل
تتمثل طريقة السول جل في تحضير محلول مع جزيئات أكسيد المعدن أو هيدروكسيد مذابة في محلول من المركبات العضوية المعدنية من خلال التحلل المائي وبلمرة المركبات، ومن ثم توليد مادة هلامية ذات بنية مكانية معينة من خلال سلسلة من التفاعلات الفيزيائية أو الكيميائية . ، يمكن الحصول على الفيلم النانوي لأكسيد المعدن المطلوب من خلال التجفيف بدرجة حرارة منخفضة والتلبيد بدرجة حرارة عالية. الميزة هي أن الجسيمات النانوية تترسب من الطلاء، والحبيبات صغيرة، والطلاء كثيف. العيب هو أن عملية التحضير معقدة وتستغرق وقتًا طويلاً.
(3) طريقة الترسيب الكهربائي
تتمثل طريقة الترسيب الكهربي في وضع الركيزة المعالجة مسبقًا كأنود في محلول طلاء كهربائي بملح معدني، واستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ ككاثود. بعد الترسيب الكهربائي لفترة من الوقت تحت تأثير تيار مستمر، يتم الحصول على فيلم أكسيد معدني على سطح الركيزة.
تتميز طريقة الترسيب الكهربي بظروف إعداد معتدلة، وقوة ربط أقوى بين الركيزة والطلاء، وهي واعدة جدًا للإنتاج الصناعي. إلا أن عملية التحضير معقدة، ولها العديد من العوامل المؤثرة، وتستهلك كميات كبيرة من الطاقة.
(4) طريقة الرش المغنطروني
طريقة رش المغنطرون هي في جو الأرجون، تحت تأثير مجال كهربائي عالي التردد وعالي الجهد، يقصف تدفق أيونات الغاز عالي الطاقة السطح المستهدف، ويتم تناثر الذرات الموجودة على السطح المستهدف وترسبها على سطح الركيزة.
طريقة تحضير المادة الرقيقة . تتمثل ميزة هذه الطريقة في أن الطلاء الناتج يتمتع بكثافة أعلى، وقوة ربط أقوى بين الركيزة والطلاء، كما يتم تحسين عمر الأنود بشكل كبير. ومع ذلك، فإن المعدات المستخدمة باهظة الثمن ويصعب تطبيقها على نطاق واسع.
بالإضافة إلى طرق التحضير الرئيسية الأربعة المذكورة أعلاه، فإن طرق تحضير أنودات أكسيد معدن التيتانيوم تشمل أيضًا CVD، وPVD، والتحلل الحراري بالرش، وما إلى ذلك. طريقة التحلل الحراري هي الطريقة الأكثر شيوعًا لتحضير أنودات القصدير والأنتيمون القائمة على التيتانيوم. العملية بسيطة، المعدات سهلة التشغيل، ومكونات الطلاء دقيقة ويمكن التحكم فيها. إنها مناسبة بشكل خاص للأبحاث المخبرية العامة.
2. العديد من تصنيفات أنود التيتانيوم شائعة الاستخدام
يحدد اختيار الطلاء في أنود التيتانيوم عملية التفاعل الكهروكيميائي، أي ما إذا كان نوع التفاعل الكهروكيميائي هو تفاعل تطور الأكسجين أو تفاعل تطور الكلور، ومبدأ التحلل هو التحلل المباشر أو التدهور غير المباشر. الهيكل والتركيب الكيميائي للطلاء لهما تأثير حاسم على التفاعل الكهروكيميائي. في الوقت الحاضر، تشمل الأبحاث التي أجريت على العديد من أنودات التيتانيوم شائعة الاستخدام بشكل أساسي سلسلة Ir02/Ti، وسلسلة Ru02/Ti، وسلسلة Pb02/Ti، وسلسلة Sn02/Ti، وما إلى ذلك.
أنود Ir02 /Ti هو أنود تطور الأكسجين. الطبقة النشطة من أنود التيتانيوم المطلي بالوحدة lr02 من السهل تقشيرها أثناء الاستخدام، والأنود لديه عمر خدمة قصير. عادة ما يكون من الضروري إضافة بعض المكونات الأخرى لأبحاث التعديل. الإيريديوم عنصر معدني ثمين ومكلف نسبيًا.
أنود Ru02-Ti02/Ti هو أنود تطور الكلور. مثل الإيريديوم، يعتبر الروثينيوم أيضًا عنصرًا معدنيًا ثمينًا ومكلفًا. في الوقت الحاضر، يتم استخدام الأنودات من سلسلة Ru02/Ti بشكل رئيسي في صناعة الكلور والقلويات.
يتمتع أنود Pb02/Ti بقدرة قوية على تحليل المواد العضوية الموجودة في مياه الصرف الصحي، مثل بعض مياه الصرف الصحي العضوية التي يصعب تحللها بيولوجيًا. منتجات التحلل النهائية للمواد العضوية هي C02 وH20]. يستخدم أنود Pb02/Ti بشكل رئيسي في طلاء الكروم في محلول حمض قوي، وصهر الزنك والنحاس كهربائيا، ومعالجة مياه الصرف الصحي، وفصل الزيت عن الماء، وما إلى ذلك.
يشير أنود Sn02/Ti إلى مادة أنود تحتوي على أكسيد القصدير باعتباره العنصر النشط في مصفوفة التيتانيوم. وهو أنود واعد من أكسيد معدن التيتانيوم غير النبيل. يتمتع SnO2 بمقاومة عالية في درجة حرارة الغرفة، لذلك لا يمكن استخدامه مباشرة كمادة أنود. يمكن لـ Doping Sb تحسين الخصائص الموصلة لـ Sn02 بشكل فعال. سيتم تشكيل محلول صلب مستمر بين أكسيد Sb وSn02. يلعب Sb دورًا في دعم وتحسين استقرار Sn02. لذلك، يمكن استخدام SnO2 المعدل بواسطة المنشطات Sb كطلاء أنود. أثبتت الأبحاث أن Sb-doped Sn02. يُظهر أنود Sb/Ti قدرة عالية على تطور الأكسجين وقدرة قوية على توليد OH، لذلك يُظهر نشاط أكسدة تحفيزي كهربائي جيد للمواد العضوية وقد تم استخدامه على نطاق واسع في مجال معالجة مياه الصرف الصحي.
3. المنتجات ذات الصلة في إهيسن
