不同基體上電化學法制備二氧化錳電極的研究進展

陸麗芳，陳陣，余強，司云森，郭忠誠，廖登輝

（1.昆明理工大學冶金與能源工程學院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大學理學院，云南 昆明 650093）

不同基體上電化學法制備二氧化錳電極的研究進展

陸麗芳1，陳陣2,*，余強2，司云森2，郭忠誠1，廖登輝1

（1.昆明理工大學冶金與能源工程學院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大學理學院，云南 昆明 650093）

簡要介紹了電化學法制備二氧化錳電極的發展歷程。綜述了以Pb–Ag、Ti及Ti合金、Ni等金屬基體和石墨、直立碳納米管、導電玻璃復合膜等非金屬為基體，用電化學法制備二氧化錳電極的研究現狀。指出了電化學法制備二氧化錳電極的研究方向。

二氧化錳；電極；制備；電化學法；基體

1 前言

二氧化錳是目前公認的電化學活性最好的電極材料之一，其成本低、性能優異、對環境友好，是近年來電極材料研究的熱點[1]。二氧化錳的晶型結構較為復雜，有α-MnO2、β-MnO2、γ-MnO2、δ-MnO2等30多種變體，這些變體的性能和組成均存在著差異[2-3]。 γ-MnO2的電化學性能優異，是一種最有效的電極材料[2-7]。二氧化錳的電化學活性受其化學組成、晶體結構、晶格缺陷、表面積、密度[4]、孔隙率、顆粒形態特征、雜質等因素的影響，因此，可通過多種途徑改善 MnO2的電化學活性，其中對 MnO2晶格摻雜是最常用的方法之一[8]。

二氧化錳電極材料的制備主要有化學法和電化學法?；瘜W法主要有氯酸鹽氧化法[8-9]、超聲輻射氧化還原法[10]、微波合成法[11]、液相法[12]、化學沉淀法[13]、水熱法[14-17]、溶膠–凝膠法[18-20]等?；瘜W法制得的MnO2主要用作電化學電容器的電極材料，而電化學法制得的 MnO2主要用作工業電鍍用陽極。用電化學法制備的電極材料晶粒細小致密，結合力好，且具有較高的均相性，可直接從水溶液中制得許多金屬氧化物[21]，是目前制備MnO2電極的主要方法之一。

2 電解法制備二氧化錳電極的發展歷程

電解法制備二氧化錳電極主要有MnSO4–H2SO4、MnCl2–HCl、Mn(NO3)2–HNO33種體系，使用最多的是MnSO4–H2SO4體系。早在1918年，A. G. D. Van等就提出在 H2SO4體系中制備二氧化錳，隨后 1932年C. W. Nickols、1944年O. W. Story等、1949年G. A. Lee等[22]都描述了用MnSO4溶液生產MnO2的過程。20世紀30年代后美國實現了MnSO4–H2SO4高溫電解體系并沿用至今。與MnSO4–H2SO4體系相比，MnC12–HCl體系電解二氧化錳的研究并不多。G. H. Qiu等[23]分別在MnCl2、MnCl2–HCl、MgCl2–MnCl2溶液中電沉積制得MnO2，并研究了電解液組成和電勢對MnO2晶型及構相的影響。結果表明，0.5 mol/L MnCl2溶液中所得γ-MnO2由許多納米微片聚合而成，Mg2+的加入使γ-MnO2晶粒變大，向MnCl2溶液中加入2.0 mol/L HCl后，γ-MnO2轉化為棒狀的納米 α-MnO2，且具有較高的比表面積。MnCl2–HCl電解工藝雖優點諸多，但還不能大量用于工業化生產。Mn(NO3)2–HNO3體系的報道較MnCl2–HCl體系更少，其優點是導電性高、溶解快、電能消耗少，缺點是成本高，不利于工業化生產。

3 基體的選擇

二價錳氧化成 MnO2的電極電勢較高，因此，對基體的選擇極為嚴格，基體應具備耐腐蝕性好、熱膨脹系數與 MnO2相近、可降低表面應力梯度等優點。目前所用的基體主要為金屬基體和非金屬基體。

3. 1 金屬基體

3. 1. 1 Pb–Ag陽極

金屬鉛化學性質穩定，耐蝕性好，熔點低，質地柔軟，導電性好，但鉛表面易氧化生成疏松多孔的PbO2膜，脫落后會污染陰極產品。銀是析氧反應的催化劑，少量銀的存在可降低惰性陽極的析氧超電位；另外，銀的存在使PbO2膜致密，耐蝕性較好[24]。因此，常以銀為合金元素，制成Pb–Ag合金陽極。

彭小蘇[25]以生產用的含0.7% Ag的菱形Pb–Ag陽極板為基體，先預鍍 PbO2膜，研究了 Mn2+濃度、溫度、電流密度、酸度對陽極析出 MnO2的影響。結果表明，低濃度(＜2.0 g/L)的Mn2+、高溫及低電流密度均有利于MnO2的析出，但溶液中的Mn2+易貧化；當在H2SO4180 g/L、Mn2+3.0 g/L、電流密度500 A/m2、溫度38 °C的條件下電沉積時，陽極MnO2析出電效為1% ～ 3%。劉榮義等[26]以Pb–Ag為陽極，探討了錳離子濃度、溫度、電流密度、酸度、陽極含銀量及陽極形狀對MnO2析出的影響，得到陽極析出MnO2的最佳工藝條件為：Mn2+3 g/L，電流密度500 A/m2，溫度38 °C。此時陽極MnO2析出的電流效率為1% ～ 2%。

Pb–Ag合金是亞共晶合金，電解時晶粒邊界易被腐蝕，研究者嘗試了以多元共晶為陽極電解 MnO2的研究。俞征等[27]初步嘗試了以 Pb–Ag–Ca合金為陽極電解MnO2，電解的工藝條件為：MnSO4140 g/L，H2SO420 g/L，電流密度80 ～ 90 A/m2，槽壓穩定在2.5 V以下，連續電解 60 d(2個周期)。其平均電流效率約為90%，為Pb–Ag–Ca合金陽極用于電解MnO2生產的工業化試驗提供了可靠的實驗數據。

3. 1. 2 Ti及Ti合金陽極

鈦陽極具有析氧超電位低、耐腐蝕性強、可消除鉛對產品的污染等優點，被廣泛用作制備 MnO2的陽極材料。

羅遠輝等[28]在硫酸體系中，以噴砂鈦板為陽極，不銹鋼片為陰極，研究了不同因素對Ni–MnO2電沉積過程和電流效率的影響，得到了最佳工藝條件為：Ni2+90 g/L，Mn2+30 g/L，pH = 3.5，溫度90 °C，電流密度165 A/m2。在最佳工藝下陰極效率大于99%，陽極效率接近100%，陽極MnO2產品符合電池工業要求。于文強等[29]以鈦片為工作電極，鉑為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，采用電沉積法在 0.25 mol/L Mn(CH3COO)2電解液中制得Ti/MnO2電極，并將電極吹干后放置一段時間以加強 MnO2鍍層的結合力。俞征等[30]的研究表明，在相同的腐蝕環境下，Ti/MnO2陽極鈍化嚴重，Ti–Mn/MnO2和Ti–Ni/MnO2陽極保持了不溶性陽極的特點，不易鈍化。尹文新等[31]以鈦釕陽極為基體，運用恒流水溶液電解法在MnCl2–HCl體系中制備二氧化錳，考察了電解溫度、電流密度、鹽酸濃度和錳離子濃度對二氧化錳電流效率、槽電壓及產品質量的影響。結果表明，在電流密度100 A/m2、溫度75 °C、HCl 10 g/L、Mn2+50 g/L的條件下，所得MnO2的純度達92.32%，MnO2的晶型為γ型，大大降低了制備MnO2所需的能耗。

史艷華等[32]在鈦基體上引入SbOx+SnO2中間層，制得Ti/SbOx+SnO2/MnO2電極。在0.5 mol/L H2SO4溶液中的加速電解試驗表明，MnO2陽極鈍化失效的主要原因是絕緣TiO2層的生成和變厚，SbOx+SnO2中間層的引入可降低鈦基體和活性涂層間的電阻，且可顯著延緩電極在電解時接觸電阻的升高，從而提高其壽命。

3. 1. 3 鎳基陽極

呂彥玲等[33]以鎳片為陽極，石墨為陰極，采用脈沖電沉積法制得Ni/MnO2電極，制備工藝為：醋酸錳0.15 mol/L，電流密度0.004 A/cm2，脈沖頻率250 Hz，占空比37.5%，溫度35 °C。結果表明，在-0.2 ～ 0.55 V范圍內，Ni/MnO2電極在6 mol/L KOH水溶液中具有良好的超電容行為，200 mA/g恒電流充放電測得MnO2電極的比容量可達311.04 F/g。

3. 2 非金屬基體

3. 2. 1 石墨陽極

鄭曦等[34]報道了以光譜純石墨棒為基體，在含1 mol/L MnSO4和0.5 mol/L H2SO4的電解液中，先在92 °C、500 r/min、10 mA/cm2下電沉積1 h，隨后向鍍液中加入 50 g/L WC顆粒，繼續電沉積 1 h，制得MnO2–WC復合鍍層，WC含量較高，分布均勻，鍍層致密，機械強度好，具有作為陽極材料應用的價值。

汪形艷等[35]以石墨為基體，在pH為5.7、MnSO4含量為0.16 mol/L的溶液中，分別采用恒電流電沉積、恒電壓電沉積、循環伏安法制得石墨/納米MnO2電極。結果表明，MnO2粒徑約為50 nm，恒電流電沉積法制得的石墨/納米MnO2電極在0.3 mol/L Na2SO4溶液中的比電容最高，達306.75 F/g。

3. 2. 2 直立碳納米管陽極

王艷芝等[36]以直立碳納米管(ACNT)為基底，采用電沉積法在含有不同濃度Mn(CH3COO)2的0.1 mol/L Na2SO4溶液中制得ACNT/MnO2復合材料。制備工藝為：pH = 6，電壓0.6 V，時間10 min。所得復合材料表面呈多孔狀結構，具有相當好的循環壽命和電容穩定性能。

J. H. Chen等[37]在碳納米管陣列上，用電化學法制備了ACNT/γ-MnO2電極并對其性能進行了研究。結果表明，所得ACNT/γ-MnO2電極電勢高，電化學可逆性好，并且充放電循環性穩定。

3. 2. 3 導電玻璃陽極

冬連紅等[38]以覆有納米 TiO2膜的導電玻璃為基底，利用循環伏安方法在5.0 mmol/L硫酸錳溶液中電沉積出了粒徑均勻、晶化程度較好的MnO2。該復合膜有較好的循環性能，且其質量比電容值(144.6 F/g)明顯高于電沉積有TiO2的導電玻璃。

4 結語

二氧化錳電極具有耐蝕性好、導電性強、催化性好、成本低等優點，是性能良好的陽極材料。未來可考慮使用柔性紙質膜[39]、氧化鋁板[40]或不銹鋼為基體，在其表面沉積二氧化錳。紙質膜與不銹鋼不易被腐蝕，不污染陰極產品，性能穩定且價格低廉，有望實現工業化。可通過在二氧化錳層中摻雜CeO2[41-43]、PbO2、PbO[44]等金屬氧化物來改善其性能。另外，電沉積制備二氧化錳電極的研究有很多，但有關機理的研究仍處于初級階段，目前認可的依然是對流和擴散原理。這些原理因其自身的不完善，不能很好地解釋實驗中遇到的問題。因此，有關二氧化錳電沉積的理論有待進一步研究。

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[ 編輯：周新莉 ]

Research progress of manganese dioxide electrode prepared by electrochemical method on different substrates //

LU Li-fang, CHEN Zhen*, YU Qiang, SI Yun-sen, GUO Zhong-cheng, LIAO Deng-hui

The development history of electrochemical preparation of manganese dioxide electrode was introduced briefly. The research status of the preparation of manganese dioxide electrode by electrochemical method, using substrates of metals such as Pb–Ag, Ti and Ti alloys, and Ni, and nonmetals such as graphite, aligned carbon nanotube, and conductive glass, was reviewed. The research directions of preparation of manganese dioxide electrode by electrochemical method were pointed out.

manganese dioxide; electrode; preparation; electrochemical method; substrate

Faculty of Metallurgical and Energy Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China

TG174.45

A

1004 – 227X (2012) 03 – 0043 – 04

2011–09–07

2011–11–24

國家自然科學基金（50964008）。

陸麗芳（1987–），女，江蘇無錫人，在讀碩士研究生，主要研究方向為電化學。

陳陣，副教授，(E-mail) chenzhen69@qq.com。