基于Ag/AgCl海洋电场探测电极的多方优化制备及性能研究
作者单位:西安电子科技大学
学位级别:硕士
导师姓名:李桂芳
授予年度:2021年
学科分类:08[工学] 0816[工学-测绘科学与技术]
主 题:Ag/AgCl电极 表面活性剂 稳定性 电化学噪声 电场响应
摘 要:探测电极是海洋电场探测装置的重要核心部件,其中Ag/AgCl电极由于具有高稳定性、低自噪声的特点,而作为探测电极广泛应用在各种海洋信号探测中。本文针对目前Ag/AgCl电极在测试时出现电位稳定速度慢、固相结构腐蚀粉化、强度差以及自噪声变大等问题,分别从前驱粉体的制备工艺、电极的组分及结构等方面对其进行了优化研究。首先,从球磨时间、干燥方法、表面活性剂修饰三个方面对AgCl粉体进行优化;其次,通过添加碳纤维(Carbon Fiber,CF)和卤化银对电极的成分组成进行调控。探究了前驱粉体性质和电极组成对复合电极的微观结构和电学性能的影响及作用机理。此外,利用自制外电场感应系统对电极的实际应用性能进行测试,制备出能够在海水环境下正常工作的复合电极。研究结果如下:1.利用固相球磨法对AgCl粉体的制备工艺进行了优化。首先探究了球磨时间对AgCl反应进程的影响,球磨4小时获得的晶体结晶状态最好,粒径分布最窄;其次对比分析了热干燥法和冷冻干燥法对AgCl粉体形貌的影响,冷冻干燥法获得的AgCl颗粒蓬松,分散性最好;最后对比分析了十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)、双(2-乙己基)磺基丁二酸钠(AOT)和十二烷基硫酸钠(SDS)三种表面活性剂对超微AgCl粉体合成效果的影响,0.1 mol/L CTAC的控制性最强,所得粉体尺度均一,粒径可达1μm以下;最后将上述工艺优化后的AgCl制备成Ag/AgCl电极,对其电化学性能进行测试。结果表明,AgCl粉体优化后所制成的Ag/AgCl电极有效孔率为15.53%,总气孔率30.01%,比表面积为9000.28 cm·cm,交换电流密度高达83.75 mA·cm,电化学反应势垒低,电极反应电阻Rp为0.564Ω,电化学自噪声低至1.566 nV/√Hz。2.对Ag/AgCl电极的组分结构进行复合改性。探究了碳纤维的单独添加、AgBr的单独添加以及二者复合添加对Ag/AgCl电极性能的影响。结果显示,碳纤维的添加能有效提高电极的比表面积,从而使电极稳定速度加快,并且还可以增强电极自身强度。AgBr的添加能有效减缓海水中的Br对电极中Cl的置换,从而提升电极抗腐蚀能力,降低电极的固相结构粉化破坏程度。当碳纤维为1.5 mol,且AgCl和AgBr的摩尔比为7:3时制备的复合电极性能最佳,其开孔率为18.02%,总气孔率为36.89%,比表面积为12422.39 cm·cm,交换电流密度为76.09 mA·cm,电极反应电阻Rp为1.479Ω,1 Hz处噪声水平为5.99 nV/√Hz。3.利用自制外电场感应系统对电极的实际应用性能进行测试。在模拟真实海水的条件下,测试了电极长、短期极差电位稳定性和外加各种频率振幅的外电场感应特性。结果表明,优化后的复合电极外电场信号感应波形完整且无失真,短期极差电位由1 m V提升至0.1 m V以下,提升一个数量级,长期极差电位变化幅度不大。其中碳纤维为1.5 mol且AgCl和AgBr的摩尔比为7:3的复合电极稳定性最好,24 h短期稳定极差电位约0.08 m V,短时段电势差漂移量小于0.03 m V。浸泡180天后的24 h极差电位为-0.07 m V,短时段电势差漂移量小于0.02 m V。说明碳纤维和溴化银添加后的复合电极结构得到强化,使用寿命明显延长。