锰与磷酸对锌电积用尺寸稳定阳极电催化性能的影响机制研究

本文聚焦锌电积工业中尺寸稳定阳极（DSA）的锰氧化物钝化问题，创新性提出磷酸（H3PO4）抑制Mn3+歧化为MnO2的解决方案。通过电化学噪声、阻抗谱等先进表征手段，系统验证35 mL·L-1磷酸可使Ti/IrO2-Ta2O5阳极电位降低43 mV，电流效率提升至93.04%，为替代传统铅银阳极提供关键技术支撑。

　　

研究背景与行业痛点

锌电积工业长期面临传统铅银阳极能耗高、腐蚀快、铅污染等问题。尺寸稳定阳极（DSA）以其钛基混合金属氧化物涂层（Ti/IrO₂-Ta₂O₅）的优异性能成为替代方案，但锌矿中天然存在的锰离子（Mn²⁺）在电解过程中会氧化生成MnO₂覆盖阳极表面，导致催化活性位点阻塞和电位升高。

创新解决方案设计

研究团队提出通过添加磷酸（H₃PO₄）络合Mn³⁺离子，抑制其歧化反应。实验采用热分解法制备的Ti/IrO₂(30%)-Ta₂O₅(70%)阳极，在模拟工业条件（48 mA·cm^-2，39°C）下测试含锰（0-12 g·L^-1）电解液体系。

电化学性能突破

循环伏安测试显示，添加35 mL·L^-1磷酸可使氧化峰电流显著增强，对应水分解反应（2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e^-）的催化活性提升。恒电流极化5小时后，含磷酸体系的阳极电位（1598 mV vs SHE）较空白组降低43 mV，电流效率从91.83%提升至93.04%。

腐蚀防护机制解析

电化学阻抗谱（EIS）揭示磷酸的双重作用：17 mL·L^-1添加量通过溶解MnO₂降低极化电阻（从751降至555 Ω·cm²）；而35 mL·L^-1浓度下则形成致密MnHPO₄保护膜，使电荷转移电阻升至225 Ω·cm²。扫描参比电极技术（SRET）证实，高浓度磷酸组准电动势（QEMF）最低，表明腐蚀速率最优。

工业应用前景

能谱分析（EDAX）直接观测到阳极表面P-O-Ti特征峰，验证了磷酸锰复合膜的存在。该研究为锌电积行业提供了明确的工艺优化窗口：控制锰浓度≤9 g·L^-1并添加35 mL·L^-1磷酸，可实现DSA阳极寿命与电催化性能的协同提升，推动绿色冶金技术革新。