intTypePromotion=1

Đề tài nghiên cứu khoa học " TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI "

Chia sẻ: Nguyễn Văn Tới | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:16

0
248
lượt xem
71
download

Đề tài nghiên cứu khoa học " TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI "

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiến hành điện phân oxi hóa anot dung dịch Pb(NO¬3)2 ở mật độ dòng không đổi để tổng hợp điện cực anot PbO2 trên vật liệu nền graphit. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố nồng độ của ion Pb2+, H+, Cu2+, nồng độ của chất hoạt động bề mặt gelatin, cường độ dòng điện trong suốt quá trình điện phân nhằm tìm ra điều kiện tốt nhất tương ứng với điều kiện phòng thí nghiệm của nhà trường để tổng hợp nên điện cực anot PbO2 đã được nghiên cứu trước đây bởi một số...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học " TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI "

  1. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI Tóm tắt Tiến hành điện phân oxi hóa anot dung dịch Pb(NO3)2 ở mật độ dòng không đổi để tổng hợp điện cực anot PbO2 trên vật liệu nền graphit. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố nồng độ của ion Pb2+, H+, Cu2+, nồng độ của chất hoạt động bề mặt gelatin, cường độ dòng điện trong suốt quá trình điện phân nhằm tìm ra điều kiện tốt nhất t ương ứng v ới đi ều ki ện phòng thí nghiệm của nhà trường để tổng hợp nên điện cực anot PbO 2 đã được nghiên cứu trước đây bởi một số tác giả. Điều kiện tốt nhất để tổng hợp màng PbO 2 bám dính chắc trên vật liệu nền, có độ bền cơ học cao là tiến hành oxi hóa anôt ion Pb2+ trong dd Pb(NO3)2 0,5 M, Cu(NO)3 0,3 M, HNO3 20 ml/l, gielatin 4 g/l với mật độ dòng không đổi 40 mA/cm 2 trong thời gian t =1,1.thời gian lí thuyết tính theo định luật faraday, với điều kiện nhi ệt độ phòng thí nghiệm khoảng từ 27 đến 32oC. Sau đó sử dụng phương pháp hiển vi điện tử quét (Sacnning Electron Microscopy- SEM) và sử dụng tia ronghen (X.ray) để xác định cấu trúc lớp PbO 2. ABSTRACT By using a direct electric current, electrolyse of solution Pb(NO 3)2 in contract with a pure graphite anode permit to create oxidation andmetal deposition at the anode. Observation of influence factors such as the metal ion concentrations like Pb 2+, H+, Cu2+... the surfactant concentration( Gelatin) and the current intensity during experience process helps to find the best condition corresponding to the ambient condition at laboratory which promotes the synthesis of metal deposition PbO2 that was done before by another researchers. The important condition that promotes the stability of PbO2 Layer at anode is the oxidation reaction occuring at this electrode which is in contract with Pb2+ ions in the solution containing 0,5M of Pb(NO 3)2 ; 0,3M of Cu(NO3)2 and 20ml of HNO3. we also need 4g/L of gelatin and a direct current of 40mA/cm 2 with t = 1.1 tFaraday. The theoretical time is calculated by thetheory of Faraday with ambient temperature from 27oC to 32oC. Finally, we use the scanning Electron Microscopy-SEM and the roentgen rays( X.ray) to identify the microscopic struture of depositing metal layers PbO2. I. ĐẶT VẤN ĐỀ 1
  2. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI Ngày nay, để đáp ứng đươc nhu cầu dòi hỏi ngày càng cao c ủa xã h ội đòi h ỏi khoa hoc và công nghệ phải luôn có sự đổi mới, đây chính là một trong những đông l ực thúc đẩy s ự phát triển khoa học công nghệ, trong đó có sự phát triển mạnh m ẽ c ủa ngành công nghi ệp điện hóa. Nhận thấy được sự quan trọng không thể thiếu được của lĩnh vực đi ện hóa, và cũng nhận thấy được sự phát triển không đồng bộ của xã hội, các nhà khoa h ọc đã n ỗ l ực không ngừng để tìm kiếm ra những vật liệu mới để vừa có th ể t ận d ụng t ối ưu nh ững ứng dụng của nó trong các khía cạnh của cuộc sống v ừa có th ể gi ảm b ớt đ ược chi phí s ản xu ất, đem lại lợi ích cao nhất cho xã hội. Một trong những v ật li ệu đó chính là v ật li ệu anot làm t ừ PbO2, vật liệu này đã giải quyết được rất nhiều những khó khăn về thực tế và ứng d ụng trong thương mại. Điện cực oxyt PbO2 có khả năng thay thế các vật liệu quý như Pt, Au. Điện cực PbO2 được sử dụng rất nhiều trong quá trình điện phân tổng hợp các chất vô cơ và hữu cơ, được sử dụng để xử lý phá hủy một số chất độc hại trong nước như phenol. Và điện cực này còn được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện hóa để sản xuất perclorat, periodat, hydroquinon, hydroxylamin, acid cacboxylic….Trong các vật liệu điện cực mới thì điện cực graphit có tính dẫn điện rất cao, chống ăn mòn hóa học tốt, độ bền cơ học tương đối lớn rất thích hợp để phủ PbO2 lên, giải quyết được vấn đề của sự nối điện cực và chống được ăn mòn điện cực, mặt khác lại rất co hiệu quả về kinh tế, nhận biết được điều đó chúng tôi đã quyết định thực hiện đề tài “TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI “. Tổng quan về PbO2 và điện cực PbO2 II. 1. Tổng quan về PbO2 PbO2 là một chất rắn màu nâu thẫm, bị acid đặc phân hủy, tan chậm trong ki ềm đặc khi đun sôi, tồn tại hai dạng vô định hình và tinh thể. Dạng vô định hình trong su ốt, kém b ền dễ tan trong axit nên ít được ứng dụng. Dạng tinh thể PbO 2 bao gồm hai dạng thù hình chủ yếu là α- PbO2 và β- PbO2. Dạng α- PbO2 có cấu trúc ô mạng kiểu orthorombic ( hệ trực thoi). Dạng β- PbO2 có cấu trúc mạng kiểu tetragonal ( tứ diện). 2
  3. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI Cho đến nay vẫn còn nhiều quan điểm chưa đồng nhất về khả năng dẫn đi ện c ủa PbO2, nhưng rất nhiều nghiên cứu đều đã kết luận PbO 2 có khuyết tật trong mạng tinh thể có độ dẫn điện tốt hơn so với PbO2 không có khuyết tật. Vì thế, PbO 2 tổng hợp bằng phương pháp điện hóa dẫn điện tốt hơn PbO 2 được tổng hợp bằng phương pháp hóa học. Bằng phương pháp điện hóa chúng ta có thể tổng hợp được c ả hai dạng thù hình α- PbO 2 và β- PbO2. Nhiều nghiên cứu cho thấy PbO 2 dẫn điện rất tốt, nhất là PbO 2 tổng hợp bằng phương pháp điện hóa có độ dẫn điện xấp xí so với kim loại. Bảng 1.Điện trở các dạng dioxyt chì và một số kim loại Mẫu Điện trở ( Ω.cm) Kim loại Chì 74,0.10-4 0,22.10-4 Bismut Thủy ngân 1,2.10-4 0,96.10-4 Graphit 8,0.10-4 α- PbO2 7,0.10-4 β- PbO2 PbO2 kết tủa từ dd sunfamat 12,0.10-4 PbO2 kết tủa từ dd perclorat (0,94:4,05).10-4 Bột ép PbO2 (độ xốp 32% ) 142,0.10-4 Bảng cực dương acqui (độ xốp 46%) 74,0.10-4 2. Tổng quan về điện cực PbO2 3
  4. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI Trong lĩnh vực điện hóa thì một trong những yếu tố quan tr ọng là vi ệc l ựa ch ọn đi ện cực tương ứng với điều kiện của phản ứng. Điện cực phải đảm b ảo tính d ẫn đi ện, có đ ộ bền cơ học, chịu được sự tác động của hóa chất, chống được ăn mòn, giá thành h ợp lý… Điện cực PbO2 có quá thế thoát oxi cao hơn Pt và một số vật liệu khác. PbO2 là điện cực anôt trơ, có rất nhiều ưu điểm như bền, rẻ, dễ tổng hợp, có độ dẫn đi ện t ốt h ơn than chì, tương đối cứng, có tính trơ về mặt hóa học đối với hầu hết các tác nhân oxi hóa và nh ững axit mạnh, mặt khác xét về mặt kinh tế lại rẻ hơn rất nhiều so với các điện cực anôt đắt tiền như Pt, Au… vì thế việc lựa chọn PbO2 đã được rất nhiều quan tâm. Bằng phương pháp điện hóa người ta có thể thu được PbO 2 cả hai dạng thù hình α- PbO2 và β- PbO2, chúng có khả năng bám dính khác nhau, sự hình thành k ết t ủa PbPO 2 phụ thuộc rất nhiều pH, nồng độ ion Pb2+, dòng và thế áp đặt…PbO2 có thể tổng hợp trên nhiều loại vật liệu nền khác nhau như: Pt, Au, thép không gỉ, chì, cacbon.v.v..Đ ể hạn chế hi ện tượng điện cực thu được bị thụ động hóa và kết tủa PbO 2 bị tách ra khỏi vật liệu nền do sự chênh lệch khá lớn về độ hệ số giãn nở nhiệt, thì các nhà nghiên cứu đã hướng đến vật liệu nền trụ làm từ vật liệu phi kim loại, trong đó cacbon garphit có độ bền cơ học tương đ ối cao, lại có tính dẫn điện tốt, giá thành lại hợp lý, vì thế cacbon graphit đã đ ược l ựa ch ọn làm vật liệu nền để tổng hợp PbO2. Điện cực PbO2 có khả năng hấp phụ tốt các chất nên được sử dụng rộng rãi trong các quá trình điện phân tổng hợp các hợp chất vô cơ và hữu cơ..v.v.. Do có tính bền, trơ với hầu h ết các tác nhân có tính oxi hóa mạnh và có tính chất xúc tác điện hóa nên PbO2 được sử dụng làm điện cực anot trong các quá trình xử lí các chất thải độc hại nh ư anilin, toluene, benzen… Ngoài ra, anot PbO2 còn được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xu ất hóa ch ất như perclorat, periodat, hidroquinon, hidroxylamin, axit cacboxylic . Nội dung nghiên cứu. III. Bằng phương pháp điện hóa học, một số tác giả đã nghiên c ứu tổng h ợp thành công điện cực anot PbO2 trên các vật liệu như Fe, Ti và cả trên nền vật li ệu phi kim cacbon graphit, anot PbO2 các điện cực anot này đã đáp ứng được yêu cầu của m ột đi ện c ực trong qua trình điện phân. Chúng tôi tiến hành nghiên cứu tổng hợp nên điện c ực PbO 2 trên nền điện cực cacbon graphit bằng phương pháp điện phân oxi hóa anot ở m ật đ ộ dòng không 4
  5. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI đổi trong điều kiện phòng thí nghiệm của nhà trường dựa trên sự tham khảo các điều kiện mà một số tác giả đã nghiên cứu. Sau khi tổng hơp thành công đi ện c ực anot PbO 2 chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu sử dụng anot PbO 2 tổng hợp được để điện phân oxi hoá phân hủy toluene và aniline cũng như một số chất hữu cơ khác trước khi thải bỏ ra môi trường. IV. Phương pháp nghiên cứu Điện cực PbO2 trên nền graphit ta có thể tổng hợp bằng phương pháp hóa học và phương pháp điện hóa. Đối với phương pháp hóa học có hai phương pháp là:  Phương pháp ép bột PbO2. Ép bột PbO2 với các chất kết dính vô cơ hoặc nhựa hữu cơ..rồi ép ở áp suất cao, tuy nhiên PbO2 thu được có độ bền cơ học và độ dẫn điện kém.  Phương pháp nhiệt. Oxi hóa Pb2+ trên các vật liệu nền là kim loại hay phi kim trong môi trường giàu oxi. Phương pháp này tạo PbO2 có độ xốp cao, độ bền cơ học và độ dẫn điện kém. Đối với phương pháp điện hóa có hai cách là:  Kết tủa PbO2 từ dung dịch kiềm: Từ dd kiềm sẽ kết tủa α- PbO 2 có ứng sất nội nhỏ có khả năng bám chắc vào vật liệu nền, tuy nhiên phương pháp này có nhược di ểm là độ ổn d ịnh th ấp khi làm việc, sau một thời gian làm việc sẽ xuất hiện các c ặn oxyt chì, và cá c ặn này sẽ cản trở quá trình vận hành và làm giảm độ ổn định c ủa dung d ịch đi ện ly.  Kết tủa PbO2 từ dung dịch dung dịch axit : Các dạng chất điện ly: perclorat, sunfamat, axetat, nitrat. Từ dd acid sẽ cho k ết tủa có dạng β- PbO2 và cũng có thể thu được α- PbO2. Tốc độ phản ứng cao, 5
  6. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI dung dịch ổn định.Và trong các dung dịch điện luy trên thì dung d ịch nitrat có thể sử dụng để tổng hợp PbO2 với tốc độ cao hơn so với các dung dịch khác. Quá trình Pb2+ bị oxi hóa lên Pb4+ tạo thành PbO2: Pb2+ - 2e + H2O PbO2 + 4H+ Ở đây chúng tôi chọn phương pháp điện hóa trong môi trường axit đ ể t ổng h ợp β- PbO2 trên nền graphit vì nó có nhiều ưu điểm hơn những phương pháp khác như: t ổng h ợp tốc độ cao,lớp kết tủa đặc khít, hàm lượng PbO 2 cao và ổn định, có cấu trúc tinh thể xác định, có độ dày tùy ý, có tính dẫn điện tốt, bền hóa học và rất ít b ị hao mòn trong quá trình sử dụng . Bên cạnh những ưu điểm như trên thì phương pháp này cũng có nh ược đi ểm là lớp PbO2 có ứng suất nội lớn làm cho lớp mạ dễ bị bong tróc, rộp và vỡ thành từng mảng . V. Tóm tắt quá trình nghiên cứu Quá trình điện kết tinh PbO2 trên nền graphit được thực hiện bằng cách tiến hành oxi hóa anôt ion Pb2+ trong dd Pb(NO3)2 0,5 M, Cu(NO)3 0,3 M, HNO3 20 ml/l, gielatin 4 g/l với mật độ dòng không đổi 40 mA/cm 2 trong thời gian t =1,1.thời gian lí thuyết tính theo định luật faraday, với điều kiện nhiệt độ phòng thí nghiêm kho ảng từ 27 đ ến 32 oC. Cấu trúc tế vi và dạng thù hình của tinh thể PbO2 sau khi tổng hợp xong được khảo sát bằng phương pháp hiển vi điện tử quét và nhiễu xạ tia X. VI. Các bước chi tiết trong quá trình thực nghiệm 1. Chuẩn bị điên cực Chúng tôi sử dụng vật liệu nền graphit hình trụ đường kính Φ = 0,77cm, ngâm ngập điện cực với độ sâu h = 4cm, đây là lõi của của một loại pin phổ biến trên thị trường.  Đánh bóng  Tẩy dầu mỡ bằng cách ngâm rửa trong dung dịch axeton và kiềm nóng. Khi ngâm trong dung dịch kiềm nóng thì xảy ra hiện tượng xà phòng hóa như sau: 6
  7. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI (RCOO)3C3H5 + 3 OH- 3RCOO- + C3H5(OH)3 2. Điện hóa anot trong dung dịch NaOH 10% Điện cực graphit Katot Mật độ dòng katot 0,5 A/dm2 Mật độ dòng anot 0,5 A/dm2 Nhiệt độ 27 0C -320C Thời gian 15 phút Sau khi điện hóa anot sẽ được ngâm vào dung dịch axit HNO 3 5% trong 10 phút để trung hòa hết lượng NaOH dư, pH được xác định bằng giấy đo pH. 3. Mô hình và thực nghiệm Chuẩn bị: một cốc thủy tinh dùng để điện phân, một đồng hồ đo ampe, m ột adapter , - một biến trở. Mô hình điện phân được thiết kế như sau : 7
  8. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI  Điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chi ều gọi là gọi là cực dương hay catod.  Điện cực nối với cực dương của nguồn điện một chiều gọi là cực dương hay anod.  Tiến hành quá trình điện kết tinh PbO2 với mô hình thí nghiệm trên với dung dịch điện phân gồm có: Pb(NO3)2, Cu(NO3)2, gelatin, nước cất, HNO3. Khối lượng PbO2 tạo thành được xác định bằng cách lấy hiệu khối lượng của điện cực sau khi điện phân và khối lượng điện cực trước khi tiến hành điện phân.  Để dòng điện có thể phân bố một cách đồng đều trên b ề m ặt c ủa đi ện c ực người ta thường dùng điện cực lưới bao quanh điện cực, tuy nhiên không thể sử dụng điện cực lưới từ các kim loại thông thường như Fe, Zn được vì chúng sẽ bị hòa tan ăn mòn trong quá trình điện phân, mặt khác trong môi trường dung d ịch điện phân mang tính acid sẽ xảy ra các phản ứng khác nhau tạo ra nhi ều sản phẩm tạp chất ngăn cản quá trình điện phân xảy ra, người ta s ử d ụng đi ện c ực lưới từ Pt để xử lí khó khăn trên. Tuy nhiên, chúng tôi không th ể đáp ứng đ ược yêu cầu trên vì gặp khó khăn về kinh tế, vì vậy chúng tôi đã t ự thi ết k ế ra m ột bộ truyền động giúp cho điện cực anode tự quay đều quanh nó và đi ều này đã giải quyết được khó khăn trên. Để cung cấp dòng điện ổn định trong suốt quá trình điện phân phải dùng thi ết b ị  chuyên dụng, nhưng phòng không có thiết bị nên chúng tôi cũng đã sử d ụng m ột board mạch điện tử, adapter sử dụng biến trở biến dòng đi ện xoay chi ều v ề dòng một chiều có mật độ dòng có thể điều chỉnh được nhờ vào biến trở.  Sử dụng máy khuấy trong suốt qua trình điện phân dung dịch. Kết quả thực nghiệm thu được VII. 8
  9. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI Điện cực PbO2 được tổng hợp hầu như đều chịu ảnh hưởng của rất nhiều các yếu tố như pH, nồng độ các chất, mật độ dòng. Vì vậy chúng tôi phải xét sự ảnh hưởng của tất cả yếu tố đó. 1. Quá trình điện phân Dung dịch điện phân gồm có: Pb(NO3)2, Cu(NO3)2, gelatin, nước cất, HNO3. Trong quá trình điện phân dung môi nước cũng sẽ tham gia vào quá trình điện phân: Ở Catot: Do ở catot diễn ra quá trình khử xảy ra nên H2O sẽ đóng vai trò chất oxi hóa, nó bị khử tạo khí hiđro H2 thoát ra, đồng thời phóng thích ion OH- ra dung dịch. ============> 2H+ 2OH- 2H2O + 2H+ + 2e ============> H2 2OH- 2H2O + 2e ============> H2 + Cu2+ có tính oxi hóa lớn hơn so với Pb 2+ nên Cu2+ sẽ bị khử trước, cho đến khi hết thì Pb 2+ mới bắt đầu bị khử nếu tiếp tục điện phân. Ở Anot: Xảy ra quá tình oxi hóa, nên H2O sẽ đóng vai trò chất khử, nó sẽ bị oxi hóa tạo khí O2 thoát ra đồng thời giải phóng H2 khỏi dung dịch điện phân chứ NO 3- không bị oxi hóa. 2H+ 2OH- 2H2O ============> + 2OH- - 2e ============> ½ O2 + H2O 2H+ H2O - 2e ½ O2 + H+ ở anot này có khả năng kết hợp với NO3- để tạo ra HNO3. Tuy nhiên, do ion H+ trong nước có nồng độ rất nhỏ nên ion H+ của axit ( ở catot) dễ bị khử hơn ion H+ của H2O để 9
  10. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI giải phóng khí hidro H2 ở catot, vì thế đã tạo ra sự cân bằng đáng kể [H+] trong dung dịch diện phân. H+ NO3- + ============= > HNO3 ============= > H2 2H+ + 2e Các phương trình phản ứng : Pb2+ ============= > Pb(OH)2 (1) 2OH- + Pb(OH)2 ============= > PbO + H2O (2) Pb2+ + 2H-OH - 2e 4H+ ============= > PbO2 + (3) 2OH- + ============= > H2O + ½ O2 (4) 2e Pb2+ 4H+ + 2H-OH < ============> Pb(OH)2 + (5) 2. Ảnh hưởng của mật độ dòng Điều kiện tiến hành điện phân như sau: Pb(NO 3)2 0,4 M, Cu(NO3)2 0,2 M, gielatin 5 g/lit, nhiệt độ 270C - 320C, thời gian điện phân t = 1,1 t và mật độ dòng thay đổi từ 10 lý thuyết mA/cm2 đến 90mA/cm2 . Định luật Faraday : mA = 1/96500. [MA/nA].I.t nA: số điện tử trao đổi để tạo ra một phân tử A [MA/nA]: Đương lượng của A I: cường độ Ampere 10
  11. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI t: thời gian điện phân (s) Có ta có kết quả như sau: Khối lượng điện Khối lượng điện ia Δm cực trước điện cực sau điện phân (mA/cm2) (g) phân (g) (g) 10 5.05 5.57 0,52 20 5.15 5.96 0,81 30 4.89 6.10 1,21 40 5.11 6.52 1,41 50 5.15 6.37 1,22 60 5.20 6.19 0,99 70 5.22 6.11 0.89 80 5.20 5.85 0.65 90 5.11 5.5 0.39 Khi tiến hành tăng mật độ dòng qua dung dịch điện phân thì kh ối l ượng PbO 2 cũng tăng theo. Tuy nhiên, khi vượt qua mức 60mA/cm 2 thì khối lượng PbO2 lại giảm đột ngột đồng thời lượng oxi ở anot và lượng hidro o catot thoát ra kh ỏi dung d ịch đi ện phân xu ất hi ện nhiều hơn, điều đó cho thấy một phần dòng điện ở anot đã được sử dụng trong quá trình oxi hóa nước ở anot để tạo ra O 2 và quá trình khử nước ở catot để giải phóng khí H 2. Vì thế, nếu tiếp tục tăng cường độ dòng điện thì khối lượng PbO 2 lại tiếp tục giảm mà không tiếp tục tăng theo định luật Faraday. Pb2+ + 2H-OH 4H+ - 2e PbO2 + 2H+ H2O - 2e ½ O2 + Đồng thời khi tăng cường độ dòng điện qua dung dịch điện phân thì H 2O bị oxi hóa mạnh ngoài việc tạo ra một lượng lớn O 2 thì quá trình này còn tạo ra một lượng H + đáng kể vì thế không chỉ làm giảm đi lượng PbO 2 mà còn cho lớp PbO 2 trở nên xốp, khả năng bám dính trên 11
  12. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI nền graphit giảm mạnh gây ra hiện tượng bong, tróc lớp PbO 2 vừa tạo thành ngay cả khi ta tác động cơ học rất nhẹ. 3. Ảnh hưởng của nồng độ H+ Chúng tôi bắt đầu tiến hành khảo sát quá trình điện kết tinh PbO 2 từ điều kiện như (2), với thể tích HNO3đặc( d =1,4g/l) được thay đổi từ 0 đến 50 ml/l và mật độ dòng là 40 mA/cm2 . Kết quả như sau: Khối lượng điện V(ml) HNO 3 Khối lượng điện Δm đặc trong 1 lit cực trước điện cực sau điện phân (g) dung dịch phân 0 5.20 6.57 1.37 10 5.05 6.60 1.49 20 5.08 6.63 1.55 30 5.06 6.51 1.45 40 5.13 6.52 1.39 50 5.09 6.44 1.35 Cũng gần giống như cường độ dòng điện, khi ti ến hành tăng l ượng acid HNO 3 vào dung dịch điện phân thì lượng PbO2 cũng tăng dần, tuy nhiên không tuyến tính, lượng PbO 2 thu được lớn nhất ở 20ml/l lượng HNO 3. Trong quá trình điện phân Pb 2+ dễ dàng tạo nên Pb(OH)2, tuy nhiên trong dung dịch điện phân đã không xuất hiện kết tủa Pb(OH) 2 , đồng thời cũng hạn chế được quá trình thoát khí oxi ở anot: Pb2+ + 2H2O < ============> Pb(OH)2 + 2H+ O2 + 4H+ 2H2O - 4e Tuy nhiên, khi nồng độ HNO 3 tăng từ 30 đến 50 ml/ thì nồng độ H + quá lớn thì lượng PbO 2 giảm : Pb2+ + 2H2O - PbO2 + 4H+ 2e 12
  13. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI 4. Ảnh hưởng của nồng độ Pb2+ Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Pb(NO 3)2 trong giới hạnh thay đổi từ nồng độ từ 0,3 M đến 0,9 M. Điều kiện tiến hành khảo sát như (3) với hàm lượng HNO3 là 20ml/l. Ứng với tại mật độ dòng 40 mA/cm2 và hàm lượng HNO3 là 20ml/l, khi nồng độ Pb2+ thay đổi từ 0,4M đến 0,9 M . Ta nhận thấy rằng khi nồng Pb 2+ tăng thì lượng kết tủa trên anot cũng tăng theo tuy nhiên với nồng độ quá cao trên … thì l ượng k ết t ủa có chi ều h ướng giảm do lượng Pb(OH)2 tạo ra nhiều cản trở quá trình kết tủa của PbO2 Pb2+ + 2OH- Pb(OH)2 Khối lượng Nồng độ Khối lượng điện điện cực trước Δm cực sau điện phân Pb(NO3)2 điện phân (g) (mol/l) (g) (g) 0,3 5.12 6.48 1.36 0.4 4.95 6.62 1.67 0.5 5.11 7.06 1.95 0.6 5.17 6.71 1.54 0.7 5.12 6.59 1.47 0.8 5.11 6.57 1.46 0.9 5.10 6.41 1.31 Ảnh hưởng của Cu(NO3)2 5. Dung dịch điện phân là hỗn hợp nhiều chất như đã trình bày ở trên, trong đó có Cu(NO3)2, do Cu2+ có tính oxi hóa mạnh hơn Pb 2+ nên Cu2+ sẽ bị khử trước và hạn chế được quá trình khử Pb2+.Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của Cu(NO 3)2thay đổi từ 0,1M đến 0,4M với điều kiện điện phân như (4) và nồng độ của Pb(NO3)2 là 0,5M. Cu2+ 2NO3- Cu(NO3)2 ===========> + Cu2+ + 2e ===========> Cu 13
  14. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI 2H+ H2O - 2e ==========> ½ O2 + Cu(NO3)2 + H2O Cu + ½ O 2 + 2HNO3 Kết quả thu được trình bày trong bảng sau: Khối lượng điện Nồng độ Khối lượng điện cực trước điện Δm cực sau điện phân Cu(NO3)2 phân (g) (mol/l) (g) (g) 0,1 5.12 6.71 1.59 0,2 5.20 6.87 1.67 0,3 5.11 6.90 1.79 0,4 5.05 6.87 1.82 Ta thấy nồng độ Cu2+ càng tăng thì lượng kết tủa trên anot cũng tăng tuy nhiên Cu 2+ chỉ có tác dụng làm giảm lượng Pb hình thành ở catot do Cu 2+ có tính oxi hóa mạnh hơn Pb2+ . Trong quá trình điện phân chúng tôi đã thu được một lớp Cu trên phử trên bề mặt catot: Cu2+ + 2e Cu 6. Ảnh hưởng của gielatin Ảnh hưởng của gielatin đến quá trình điện kết tinh PbO 2 được khảo sát trong điều kiện điện phân như 4 với nồng độ Cu(NO 3)20,3M ; nồng độ gielatin thay đổi từ 0g đến 5g/lit. Kết quả thu được trình bày trong bảng sau : 14
  15. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI Khối lượng Khối lượng điện cực điện cực sau Δm Nồng độ gelatin trước điện điện phân (g/l) (g) phân (g) (g) 0 5.11 1.06 1 5.06 1.32 2 5.10 1.6 3 5.14 1.89 4 5.20 1.83 5 5.12 1.71 Sự thay đổi nồng độ gielatin hầu như không có ảnh hưởng nhiều đế lượng kết tủa mà nó chỉ làm thay đổi cấu trúc bề măt của lớp kết tủa. Khi không có gielatin b ề m ặt l ớp k ết tủa PbO2 có kích thước lớn, sần sùi, không mịn. Nhưng khi có hàm l ượng r ất nh ỏ (1g /lit), gielatin đã có tác dụng. Nếu tăng nồng độ gielatin trong dung d ịch, kích th ước PbO 2 nhỏ dần và xếp chặt khít. Khi nồng độ gielatin đạt giá trị 3g/lit bề mặt màng PbO 2 rất mịn. Tuy nhiên, khi nồng độ gielatin cao dẫn đến bề mặt lớp PbO 2 phát triển không đồng đều, xếp chồng chéo lên nhau, lớp kết tủa bị rạn nứt và khả năng bám vào vật liệu nền kém. Kết luận VIII. Với kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu tổng hợp điện c ực PbO 2 trên nền graphit bằng phương pháp điện phân oxi hóa ion Pb 2+ trong dung dịch Pb(NO3)2, chúng tôi có được kết luận sau: 1. Quá trình điện kết tinh tạo màng PbO 2 trên vật liệu nền graphit chịu ảnh hưởng trực tiếp từ cá yếu tố như nồng độ Pb(NO 3)2, nồng độ HNO3, hàm lượng chất hoạt động bề mặt gelatin và nồng độ chất điện li cạnh tranh Cu(NO3)2. 15
  16. TỔNG HỢP ĐIỆN CỰC PbO2 TRÊN NỀN GRAPHIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VỚI MẬT ĐỘ DÒNG KHÔNG ĐỔI 2. Điều kiện tốt nhất để tổng hợp tạo màng PbO2 là :  Cường độ dòng điện i= 40mA/cm2  Nồng độ Pb(NO3)2 0.5M  Hàm lượng HNO3 là 20ml/l  Hàm lượng chất hoạt động bề mặt là 3g/l  Thời gian t = 1,1 tlý thuyết  Nhiệt độ tiến hành thí nghiệm là từ 27oC – 32oC Với những điều kiện nêu trên, chúng tôi đã thu được màng PbO 2 trên vật liệu nền graphit với bề mặt nhẵn mịn, độ bền cơ học tương đối lớn, đặc sít, và có c ấu trúc tinh th ể ở d ạng thù hình β-PbO2. TÀI LIỆU THAM KHẢO 16
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2