一种具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜及其制备方法。该方法包括以下步骤：（1）对铝合金进行表面预处理；（2）配制强碱性偏铝酸钠/氢氧化钾复合电解液，添加剂为亚铁氰化钾；（3）将步骤（1）中的铝合金作为阳极，置于装有步骤（2）电解液的双层石英反应器中，进行长时间等离子体电解氧化处理，得具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜。本发明专利技术获得的催化膜具有底层多孔，中层树杈状，表层纳米颗粒的结构。

Plasma electrolytic oxidation catalytic film with three layer structure and preparation method thereof

The invention discloses a plasma electrolytic oxidation catalyst film with three layers structure and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: (1) to Aluminum Alloy surface pretreatment; (2) preparation of strong alkaline sodium metaaluminate / potassium hydroxide composite electrolyte additives for potassium ferrocyanide; (3) the step (1) Aluminum Alloy as the anode, placed in a step (2) double quartz reactor electrolyte, for long time plasma electrolytic oxidation treatment, plasma electrolytic oxidation catalytic membrane with three layer structure. Catalytic film obtained by the invention has a porous bottom, middle fork shape, the surface structure of nano particles.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及氧化膜领域，具体涉及一种具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜及其制备方法。
技术介绍
等离子体电解氧化技术是一种以阳极氧化为基础，进而发展起来的表面处理技术。该技术工艺简单可靠，绿色环保，近年来被广泛应用于阀金属（如A1、Mg、Ti等金属及其合金）的表面改性中，以改善金属表面机械性能或制备不同的功能性陶瓷膜为目的。等离子体电解氧化膜层一般具有多孔结构、耐腐蚀、高附着力和膜层组分可调节等优点，在催化领域中展现出巨大的发展潜力。近年来，国内外许多学者开始利用该技术在金属表面负载原位催化膜，研究膜层的制备和性能。目前，此类催化膜已经开始应用于光催化、汽车尾气处理和有机物的合成与降解等领域的研究中，并取得了大量成果。相比于其他传统催化膜制备方法，等离子体电解氧化制备的膜层附着力高，组分结构可调控，还具有耐蚀耐磨性能良好等优点，因此该技术在催化领域，特别是光催化领域得到了广泛关注。部分研究还指出，由于等离子体电解氧化技术可以在具有不同微结构的金属表面负载膜层，该技术是微通道反应器极具潜力的催化膜负载方法。虽然等离子体电解氧化催化膜具有独到的优点，但是，其实际应用却受到以下缺点的限制——微结构较差，孔隙率低，这导致了此类膜层的比表面积很低，一般不超过10m2/g。大量研究表明，等离子体电解氧化膜层的孔隙率一般不超过20%，而大部分膜层的孔隙率都在10%以下，这在很大程度上限制了该类催化膜的性能。目前主要有两种方法来改善这个问题，一种是通过优化反应的电参数，但是这种方法的效果并不显著。另一种方法则是利用多技术耦合，通过结合等离子体电解氧化和其他技术的，制备出复合催化膜。这种方法可以极大地提高催化膜的性能，但是，这类复合催化膜的外层依旧可能存在附着力差等问题。因此，研发新颖有效的方法来改善等离子体电解氧化催化膜的微结构，对拓宽该技术在催化领域的应用具有极大的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对等离子体电解氧化催化膜的微结构差、孔隙率低的缺点，提供了一种简单可靠的具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜及其制备方法。本专利技术通过选用强碱性电解液，辅以工艺参数的调节，将等离子体电解氧化过程控制在一个高速溶膜/成膜的平衡状态，使放电火花数量多而尺寸小，利用细火花的长时间修饰，获得具有三层结构的高孔隙率催化膜层。本专利技术的目的是通过如下方案来实现。一种具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜的制备方法，包括以下步骤：（1）基体预处理：将基体用砂纸逐级打磨至光滑，再分别用丙酮、蒸馏水超声清洗；（2）配制强碱性复合电解液：将偏铝酸钠、氢氧化钾、添加剂亚铁氰化钾溶于去离子水中，得强碱性复合电解液；（3）等离子体电解氧化处理：将步骤（1）中的基体连接到电源的阳极，不锈钢片作为阴极，将电极浸泡在装有步骤（2）强碱性复合电解液的双层石英反应器中，对电极施加电压，通过长时间处理，使基体表面原位生长出具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜。优选的，步骤（1）所述基体为铝合金基体；所述砂纸为220到5000目的砂纸。优选的，步骤（2）配制的强碱性复合电解液为：12-16g/L的氢氧化钾，4-8g/L的偏铝酸钠，2-5g/L的亚铁氰化钾，溶剂为去离子水。优选的，步骤（3）中，阴阳电极之间的距离为2-5cm。优选的，步骤（3）中的电源是直流电源，反应的升压速度为20-40V/10s，终点电压为250-320V，反应时间是60-240min。优选的，步骤（3）中，采用的反应器是容量为1L的双层石英反应器，反应器夹层中的循环冷却水的水温是36-38℃。由以上所述的制备方法制得的一种具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜，该催化膜主要由Al2O3和Fe3O4组成，附着力达到1级（GB/T9286-1998），具有底层多孔，中层树杈状，表层纳米颗粒的结构。本专利技术相比于现有技术具有以下有益效果：（1）本专利技术制备的催化膜层具有良好的催化结构，其孔隙率可超过30%，远高于常见等离子体电解氧化膜的孔隙率，并且膜层具有底层多孔，中层树杈状，表层纳米颗粒的结构，膜层与基体之间附着力良好，具有较强的实用性。（2）本专利技术制备的催化膜表面均匀地覆盖有纳米颗粒层，这有利于进一步提高催化膜的表面积。（3）元素分析显示，掺杂的活性组分（Fe3O4）主要富集在膜层表面的纳米颗粒中，这有利于催化膜活性组分的暴露，提高催化膜的性能。附图说明图1a、图1b为实施例2中得到的具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜X射线光电子能谱图。图2为实施例2中得到的具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜的扫描电子显微镜图片。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1（1）铝合金基体预处理：依次用220#、400#、1000#、2000#、5000#的砂纸逐级进行水磨至表面光滑，分别用丙酮、蒸馏水超声清洗；（2）配制强碱性复合电解液：氢氧化钾12g/L，偏铝酸钠6g/L，添加剂为亚铁氰化钾3g/L，溶剂为去离子水；（3）等离子体电解氧化处理：采用直流电源，将步骤（1）中的基体连接到电源的阳极，不锈钢片作为阴极，将电极浸泡在装有步骤（2）电解液的双层石英反应器中，阴阳电极之间的距离为2cm，循环冷却水温度设置为36℃；以30V/10s的升压速度升到300V，反应时间为60min，即可在金属基体表面原位生长出具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜。本实施例制备的催化膜主要含有Al2O3和Fe3O4，附着力达到1级（GB/T9286-1998），孔隙率为32.2%，膜层具有底层多孔，中层树杈状，表层纳米颗粒的结构。实施例2（1）铝合金基体预处理：依次用220#、400#、1000#、2000#、5000#的砂纸逐级进行水磨至表面光滑，分别用丙酮、蒸馏水超声清洗；（2）配制强碱性复合电解液：氢氧化钾14g/L，偏铝酸钠4g/L，添加剂为亚铁氰化钾2g/L，溶剂为去离子水；（3）等离子体电解氧化处理：采用直流电源，将步骤（1）中的基体连接到电源的阳极，不锈钢片作为阴极，将电极浸泡在装有步骤（2）电解液的双层石英反应器中，阴阳电极之间的距离为3cm，循环冷却水温度设置为37℃；以20V/10s的升压速度升到285V，反应时间为120min，即可在金属基体表面原位生长出具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜。本实施例制备的催化膜主要含有Al2O3和Fe3O4，如图1a、图1b所示；膜层附着力达到1级（GB/T9286-1998），孔隙率为30.7%，膜层具有底层多孔，中层树杈状，表层纳米颗粒的结构，如图2所示。其它实施例所得的具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜的X射线光电子能谱图与图1a、图1b一样，且膜层也与图2一样具有同样的结构。实施例3（1）铝合金基体预处理：依次用220#、400#、1000#、2000#、5000#的砂纸逐级进行水磨至表面光滑，分别用丙酮、蒸馏水超声清洗；（2）配制强碱性复合电解液：氢氧化钾16g/L，偏铝酸钠8g/L，添加剂为亚铁氰化钾5g/L，溶剂为去离子水；（3）等离子体电解氧化处理：采用直流电源，将步骤（1）中的基体连接到电源的阳极，不锈钢片作为阴极，将电极浸泡在装有步骤（2）电解液的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）基体预处理：将基体用砂纸逐级打磨至光滑，再分别用丙酮、蒸馏水超声清洗；（2）配制强碱性复合电解液：将偏铝酸钠、氢氧化钾、添加剂亚铁氰化钾溶于去离子水中，得强碱性复合电解液；（3）等离子体电解氧化处理：将步骤（1）中的基体连接到电源的阳极，不锈钢片作为阴极，将阳极、阴极浸泡在装有步骤（2）强碱性复合电解液的双层石英反应器中，对阳极、阴极施加电压，通过长时间处理，使基体表面原位生长出具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜。

【技术特征摘要】
1.一种具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）基体预处理：将基体用砂纸逐级打磨至光滑，再分别用丙酮、蒸馏水超声清洗；（2）配制强碱性复合电解液：将偏铝酸钠、氢氧化钾、添加剂亚铁氰化钾溶于去离子水中，得强碱性复合电解液；（3）等离子体电解氧化处理：将步骤（1）中的基体连接到电源的阳极，不锈钢片作为阴极，将阳极、阴极浸泡在装有步骤（2）强碱性复合电解液的双层石英反应器中，对阳极、阴极施加电压，通过长时间处理，使基体表面原位生长出具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜。2.根据权利要求1所述的一种具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜的制备方法，其特征是：步骤（1）所述基体为铝合金基体；所述砂纸为220到5000目的砂纸。3.根据权利要求1所述的一种具有三层结构的等离子体电解氧化催化膜的制备方法，其特征是：步骤（2）配制的强碱性复合电解液为：12-16g/L的氢氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：严宗诚，余希文，陈砺，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44