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对钛基材的蚀刻及钛基二氧化锰电极的热分解法制作
2026/11/14
IP:浙江
摘要:本文较为系统全面地介绍了热分解硝酸锰制作钛基二氧化锰电极的方法,结合实践活动,从原材料准备/基材处理/涂层制备/后续电极测试/废液处理等方面进行了相关的介绍,了解了钛基材与氢和锰和草酸等的相互作用基本原理及钛基材与二氧化锰的相容性

钛基电极的制作

此实验将持续开展,本篇报导热分解法制作二氧化锰电极(臭了街的项目)

后续(1000 years later)会尝试:电沉积法/导电树脂直接涂覆法

电沉积法翻了一遍KC似乎很少,@性感铷铷曾发布过一篇电沉积制二氧化锰/二氧化铅电极的文章,但点入后却并无发现任何关于二氧化锰电极的内容。。(?)

而有关热分解法的文章也相当粗糙(主观认为)没有任何原理,就丢了个视频。同时电极也存在涂层大面积脱落的情况。

遂准备发一篇较为详细的教程,搭配自己的亲身实践介绍一下热分解法

本文尝试以诙谐的语言来描述实验过程


⚠️警告⚠️

实验未做,警告先行

1.草酸粉末对于呼吸道有强刺激且有毒

2.含锰粉末及气雾会导致锰型痴呆,不可逆

3.在测试电极的过程中及后续投入电解过程中可能会生成氯气,剧毒/次氯酸致癌,务必注意通风,防毒。

4.不要电解氯化铵溶液。

5.电流热效应。小心烫伤/火灾。


以下为正文内容

1. 引言。

众所周知,要进行电化学实验必须要有电极

尤其是想要搞氯酸盐的同学

电极主要可以分为两类:惰性/非惰性


非惰性电极对普通爱好者意义不大,会消耗

而惰性电极在科学爱好者中应用相对广泛

包括:石墨,铂,钛,钌铱钛等等

石墨用过的都知道,会掉渣。笔者曾用2b考试用的涂卡笔芯,效果尚可(2A),但是一旦加大电流,就一定会掉渣。。。

铂,好贵。。。钌铱钛,小贵。。适合不想折腾的同学。


本文暂不考虑效果,仅从折腾万岁的角度和可行性的角度来制作一下钛基二氧化锰电极。


图IMG20261114004024.jpg

实验成果(左)右未处理


2.准备材料。

1.钛TA1/TA2均可(拼兮兮的长带状,还行)

2.草酸(分析纯)

3.硝酸锰(自制野鸡牌试剂)(买貌似也不管制,因为结晶水多,但是黍稷们一想:硝酸~,有搞头啊,遂登门造访。。。动手的乐趣亦是直接购买所没有的)

4.烧杯,温度计,搅拌棒,加热装置,毛刷

以下选用:氟化钠(剧毒但高效,实际未用)


可直接跳过以下废话,空降到3.制作过程


注:

1、制备硝酸锰:可以直接用锰单质与硝酸反应:

3Mn + 8HNO3(稀) = 3Mn(NO3)2+ 2NO↑ + 4H2O

Mn + 4HNO3(浓) = Mn(NO3)2+ 2NO2↑ + 2H2O

2、也可用二氧化锰与草酸反应,再加硝酸

不要直接用市售的非试剂级二氧化锰,杂质纯,(95%含量的含铁等)但是可以提纯,参考以下步骤:(亲身实践,真的折腾,属于脑残行为)

草酸溶液溶解二氧化锰:

MnO2 + 2H2C2O4 = MnC2O4+ 2CO2↑ + 2H2O

过滤去除不溶物

产生复杂的配合物:(实际草酸应过量)

草酸锰溶解,形成可溶性配合物:

MnC2O4 + H2C2O4 = H2[Mn(C2O4)2]

实际还会有更多种类的含草酸根的配合物,这里就不一一列举了。


图IMG20261114003232.jpg

为自制草酸锰固体,有些结块但不影响


调节pH(实际这步最烦,就像用水龙头调水温一样,不是碱过量析出杂质就是酸过量难以沉淀)尝试加碱或碳酸氢盐/碳酸盐,析出含锰沉淀,再加稀酸溶解,再加草酸钠析出沙质浅粉色(实际上粉色还"浅″就是白色。。。)草酸锰,可以加入大量的水肆无忌惮地洗涤,得到世界上最好过滤的纯净草酸盐沉淀(不直接用稀硝酸溶解是因为草酸锰可以与各种酸反应生成相应的盐,且由于是固体,储存极方便。当然由于锰盐实际非常便宜,买就行了)

于是写这篇文章时发现一条新思路:用便宜的锰盐与草酸盐(20℃草酸钠溶解度3.41g或草酸钾36.4g)复分解得到草酸锰,再与硝酸反应:

3MnC2O4+ 8HNO3(稀)==3Mn(NO3)2 + 6CO2↑ + 2NO↑ + 4H2O



3.制作过程。

3.1钛基材浅处理

补充一下:不要忘了务必对电极接线处先先先加工处理,不必把此处腐蚀

买到的钛板/条一般非常光洁,或是有氧化层或油污,因此一般会采用以下步骤

碱煮,在纯碱溶液中处理数分钟除去油污。(我用了乙醇擦拭,省去了配溶液/加热步骤,但是效果貌似一般,勉强能用)

砂纸打磨,去除氧化层。此步可以选用碳化硅材质砂纸,耐磨。可加水降温。此处用鹰牌,目数选择:400--600--800。不用很细

然而做了一下对照,是否打磨对后续处理实际影响不大。。。


图IMG20261114003517.jpg

为砂纸


3.2钛基材深加工(即蚀刻)

目的:增加钛基材的表面粗糙度,使涂层能够与之紧密结合(增加机械强度)

主要的原理是草酸与钛反应。

操作:

配置10%--30%的草酸溶液(实测用10%偏慢)

加热至60--80℃并放入处理好的钛基材。(实测用80--90℃较快)

等待约20--30分钟,期间可以不时取出一片对照组用纸擦拭,以有少量灰色颗粒沾染而不会完全脱落为宜。此时氢化钛大概率已经形成并开始部分脱落,取出用水漂洗。

此时钛基材被处理部分应呈灰黑色。

若实验中钛表面的灰色粉末物质一擦就掉,说明蚀刻时间过长,重新来过吧!



钛这么耐腐蚀的金属,怎么会和一个二元弱酸反应呢?可能是配位作用?毕竟草酸根是非常好的配体。实际是钛在加热条件下可以与草酸发生氧化还原反应生成氢气

2Ti + 3H2C2O4 ==Ti2(C2O4)3+ H2↑


然而,钛与其他金属不同,它会魅惑想要跑掉的氢原子,进而形成氢化钛TⅰH2或TⅰH1.5

实验研究表明草酸体系中主要生成后者。

不知道能不能开发出一种储氢的钛合金材料


那么我们就得到了氢化钛层了!

注:实际上还有另一种操作也可以得到氢化钛涂层:电解法。原理与蚀刻法相似,与钢铁产生氢脆也相似,就是阴极析氢嵌在钛中。。实验证明,电解pH为0.8--5.3的草酸溶液也可以可控生成氢化钛涂层。

图IMG20261114003151.jpg

为笔者曾经用过数日的阴极钛板,被氢搞得不成样子



竟然没有想到去做电极,日后必须搞一下它们!


涂层问题: @性感铷铷 曾经用了锑/锡氧化物涂层,对于二氧化铅取得了良好效果(不做时他沉积的会瞬间钝化) 具体不展开了

然而,钛基二氧化锰似乎没有这种毛病,就不做涂层了,考古发现论坛上有用硝酸钴沉积氧化钴涂层的,貌似效果很好,但是由于暂无原料锡、钴、锑,双氧水,浓盐酸等,就暂不介绍了,日后有机会会尝试。



3.3钛基材与硝酸锰结合!

实际上就是硝酸锰的热分解。。

此步骤操作无脑。。但也需要技术。。

配置饱和硝酸锰溶液。(网上也有说要稀的,未尝试)。多次少量用毛刷刷在钛基材上,"火烧令坚",此过程中会不可避免的产生泡状二氧化锰,因为无论是饱和溶液还是稀溶液,都有水,即使是先微热蒸干了,后续其晶体分解也会产生泡状物,让我欲罢不能哭无泪。。。不过重复过程中发现二氧化锰会溶解在硝酸锰中。大概酸加多了…

图:首次电解后过滤,电解一次后的滤渣IMG20261114010102.jpg

后续可以找氯化钠溶液测试一下了。当然第一次一定会翻车,黑色的二氧化锰渣子漂得到处都是。此为正常现象。当然如果涂层全部脱落,那么足以证明失败了,重新来过!


本人的测试:12V,8A。工作约30分钟(之后未测试),溶液升温至50至55℃,溶液开始变为粉色

(高锰酸根)(该来的总是来了),表面有少许棕色絮状物,电极状况良好,少量掉渣,约4-5小片。


图(IMG20261114003258.jpg为第二次电解约30分钟后的溶液,电极)

VID20261114003644.mp4 点击下载

电解进行中


实验最后又到了大家喜闻乐见的

4.废液处理环节:(实则没有什么卵用)

收拾各种仪器/试剂。

废水:含有Tⅰ3+和Tⅰ2+

需氧化为Ti4+,用空气即可。

用碱性物质调成中性。



5.实验总结:

本实验较为完整地制作了二氧化锰电极。

细节较为全面。

了解了钛与二氧化锰的相容性(较好),草酸与钛和二氧化锰等的基本化学反应原理

并对废水进行了处理。

不足:

涂层处理得不好,仍存在少量脱落现象。

未测试电极寿命

未测试高温60--75℃对电极的影响

仍缺乏深度思考



吐槽一下:

编辑化学方程式好麻烦啊555


欢迎各位批评指正存在的问题!

初稿于2026-11-13夜

笔记
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我也是有底线的