Leitfähigkeit und katalytischer Mechanismus der Titananode – Einführung

1. Leitfähiger Mechanismus der Metalloxidelektrode

Die elektrische Leitfähigkeit ist die grundlegendste Eigenschaft, die eine Elektrode haben sollte. Nach der von Goodenough beschriebenen Atomstruktur ist das Ti⁴⁺und O^2-Schichtelektronenorbitale werden hybridisiert, um δ-Bindungen und π-Bindungen zu bilden. Die Valenzelektronen reichen aus, um die Niedrigenergiebänder von δ und π zu füllen, während das Hochenergieband leer bleibt. Laut der Theorie der Materialstruktur leitet eine solche Molekülstruktur nicht leicht Strom. Um TiO2 leitfähig zu machen, müssen Elemente mit einem oder mehreren Valenzelektronen in TiO2 eingebettet werden. Diese Elektronen können das Leitungsband besetzen oder Träger des Lotus werden.

Ru0₂ist ein Übergangsmetalloxid mit einer Rutilstruktur. Die äußere Elektronenkonfiguration von Ru ist 4d⁷5s¹. Nachdem vier Elektronen an zwei Sauerstoffatome abgegeben wurden, vervollständigen die Sauerstoffatome die 8-Elektronenschicht, und es verbleiben 4 freie Elektronen, die an der Kommunalisierung teilnehmen. Dotierung von Ru in TiO₂kann die feste Lösung der Beschichtung wie folgt ausgedrückt werden: Ru_δTi_(n-δ)O_2ne_4δ (1.13)

In der Formel stellt δ die Anzahl der durch Ru ersetzten Ti-Atome dar und n die Anzahl der Ti-Atome in Ti0₂. Neben der kompletten Band im Ru0₂-Ti0₂feste Lösung gibt es ein elektronenhaltiges Energieband (e_4δ). Im Vergleich zu den Elektronen im gesamten Band sind die Elektronen in diesem Energieband weniger gebunden und können mit nur {{0}}.2ev Energie in das Leitungsband angeregt werden, so dass die verbotene Bandbreite von Ti0₂entspricht der des Isolators. 3,05ev verengt sich auf 0,2ev, wodurch die Energiebandstruktur eines Halbleiters erreicht wird. Darüber hinaus ist Ru0₂ist ein sauerstoffarmes Metalloxid, das die Anzahl der freien Elektronen erhöht. Darüber hinaus werden in den verschiedenen Prozessen des Oxidbeschichtungssystems einige der Sauerstoffatome durch Chloratome ersetzt, was die Anzahl der freien Elektronen erhöht. Daher ist TiO₂ist eingebettet in Ru0₂oder Ru0₂ist mit TiO eingebettet₂, und diese Mischung macht die Elektrode leitfähig.

Dotierung mit 1 Mol-% Ta und Nb in TiO₂(beide sind nur ein Elektron mehr als Ti), deren Leitfähigkeit um das 4160-fache bzw. 5500-fache erhöht ist. Im Ru0₂-Ti0₂n-Typ-Halbleiter, der Donor Ruthenium hat 4 freie Elektronen, was mehr ist als die Anzahl freier Elektronen, die Ta und Nb bereitstellen können, daher ist die Leitfähigkeit dieser festen Lösung sehr gut.

2. Katalytischer Mechanismus der Metalloxidelektrode

Ru0₂, Ir0₂, PbO usw., die durch thermische Zersetzung hergestellt werden, sind nichtstöchiometrische Defektstrukturverbindungen. Die thermische Zersetzung von RuCl₃bei 300 Grad -500 Grad als Beispiel, RuO_xCl_yH_zerhalten wird. Da Sauerstoffdefekte im Kristallgitter entstehen, Ru³⁺vorhanden sein. Wenn eine positive Spannung an die Elektrode angelegt wird, wird zuerst Ru³⁺wird angeregt, Elektronen auf die Titanmatrix zu übertragen, wodurch Ru entsteht⁴⁺mit einem stärkeren positiven Ladungszentrum. Der Ausdruck kann wie folgt geschrieben werden:

Ru³⁺→ Ru⁴⁺ + e^- (1.14)

Ru⁴⁺+ Cl^- → Ru₄+Cl_Anzeigen+ e^- (1.15)

Zu dieser Zeit, Ru⁴⁺ist das aktive Zentrum auf der Oberfläche des Halbleiterkatalysators und ist ein positiv geladenes Loch, das Elektronen aufnehmen kann. Unter elektrostatischer Einwirkung wird Ru⁴⁺wird Cl anziehen^-an der Oxid/Lösungs-Grenzfläche, wodurch Cl^-um sich darauf zu entladen, und die Elektronen werden durch Ru zur Titanmatrix transportiert.⁴⁺lautet die Reaktionsformel:

Ru⁴⁺+ Cl^-→ Ru⁴⁺Cl_Anzeigen+ e^- (1.16)

Zu dieser Zeit, Ru⁴⁺Cl_Anzeigenverbindet sich mit Cl^-an der Schnittstelle zur Erzeugung von Cl₂und Ru⁴⁺erhält Elektronen und wandelt sich in Ru um³⁺Die Reaktionsformel lautet:

Ru⁴⁺Cl_Anzeigen+ Cl^- → Ru³⁺+C1₂ (1.17)

Aufgrund von Ru⁴⁺, Ru³⁺werden von 4d konvertiert⁴bis 4d⁵und die Bildung von C1₂verringert auch die Energie des Systems, die Reaktion läuft leicht ab, sodass Formel (1.14) der geschwindigkeitskontrollierende Schritt ist.

Nach dem katalytischen Mechanismus von Ru02 glauben die Forscher, dass das durch thermische Zersetzung von PdCl erzeugte PdO₂ist eine nichtstöchiometrische sauerstoffarme Verbindung, und es gibt Pd⁺im Kristallgitter, und der Chlorentwicklungsmechanismus darauf ähnelt dem von Ru³⁺, so dass die Titan-basierte Edelmetalloxid-Elektrode Der katalytische Mechanismus der Elektrode ist:

Mn⁺ → M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺ + e^- (1.18)

M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺+ Cl^- → M(n+1)+Schichten + e^- (1.19)

M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺Cl_Anzeigen+ Cl^- → Mn⁺+ Cl₂ (1.20)

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