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镍基Ni-Mo合金电极的制备及其电催化析氢性能研究

作　者: 王进
导　师: 魏子栋
学　校: 重庆大学
专　业: 化学
关键词: 镍基合金电极 析氢反应 稳定性 脉冲电沉积 磁控溅射
分类号: TQ116.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


氢能作为一种高效，清洁，理想的二次能源，越来越受到各国的重视。其中，电解水制氢具有操作简单、产品纯度高、无污染等优点，有望成为替代化石燃料制氢的有效方法。目前，工业中运用电解水制氢的阴极材料主要是Rany Ni，低碳钢等材料，但它们存在过电位高、槽电压大、能耗过大和易腐蚀等劣势，严重制约了电解水以及氯碱工业的发展。因此，为了解决上述问题，研究和开发一种高效、稳定、廉价的析氢电极具有非常重要的现实意义和实用价值。镍基合金材料由于具有较好的催化析氢活性和良好的稳定性而成为近年来的研究热点。本论文分别采用脉冲电沉积和磁控溅射法制备了Ni-Mo-P/Ni和Ni-Mo/Ni析氢电极，系统探究了电极的制备条件及其析氢性能的影响。以硫酸镍，钼酸铵，次亚磷酸钠分别作为镍源、钼源和磷源，采用脉冲电沉积制备了Ni-Mo-P/Ni电极。运用XRD，SEM和EDS等材料表征手段和现代电化学测试方法考察了镀层的表面组成、结构、微观形貌及其催化析氢性能。实验结果表明，通过脉冲电沉积制备的Ni-Mo-P镀层表面粗糙，颗粒细小，分布均匀。XRD和EDS测试结果显示，Mo的引入使催化剂镀层进一步呈现非晶态化，从而增大镀层真实表面积，进而提高析氢催化性能。当Mo的含量为30wt%时，Ni-Mo-P/Ni电极具有最好的催化析氢性能。与纯Ni片相比，Ni-Mo-P/Ni电极的析氢电位正移了270mV；与Ni-P/Ni电极相比，正移了100mV左右。在碱性条件下电解的计时电位曲线显示，Ni-Mo-P/Ni电极具有较好的稳定性。利用磁控溅射法对Ni基表面进行改性，沉积Ni-Mo薄膜。通过改变溅射功率、真空室内的气压、反应时间和温度，调控薄膜的厚度、微观形貌及元素组成，制得Ni-Mo合金电极，并考察其催化析氢性能。实验结果表明，溅射功率决定薄膜的组分，而溅射气压决定薄膜的表面的粗糙度。当溅射室气压为4Pa，Ni靶和Mo靶的溅射功率分别为80W和180W，基体温度为500℃时，制备的电极具有较好的催化析氢性能。在6M NaOH电解液中，电流密度为100mA.cm-2时，与纯Ni片相比，Ni-Mo合金电极的催化析氢电位正移了281mV。这主要是由于Ni-Mo合金为纳米晶型，颗粒分布均匀，具有较小的晶粒直径，使电极的比表面积显著增大；同时，与纯Ni相比，Ni-Mo合金电阻减小，因而Ni-Mo合金电极具有更好的催化析氢性能。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-21
  1.1 氢能制备方法  8-10
  1.2 碱性电解水制氢  10-12
    1.2.1 碱性电解水电极反应  10-11
    1.2.2 碱性体系电解析氢机理  11-12
  1.3 碱性析氢电极  12-16
    1.3.1 碱性析氢电极制备方法  12-13
    1.3.2 碱性析氢电极评价标准  13-14
    1.3.3 碱性析氢电极分类  14-16
  1.4 镍钼合金析氢电极  16-20
    1.4.1 镍钼合金电极析氢机理  16-17
    1.4.2 镍钼合金电极发展现状  17-20
  1.5 本论文研究意义及内容  20-21
    1.5.1 脉冲电沉积制备 Ni-Mo-P/Ni 析氢电极  20
    1.5.2 磁控溅射制备 Ni-Mo 析氢薄层电极  20-21
2 实验部分  21-27
  2.1 实验试剂与材料  21
  2.2 实验仪器  21-22
  2.3 析氢电极表征  22-27
    2.3.1 电化学表征  22-24
    2.3.2 物理性能表征  24-27
3 脉冲电沉积制备 Ni-Mo-P/Ni 析氢电极  27-37
  3.1 引言  27-28
  3.2 实验部分  28-29
    3.2.1 Ni-Mo-P/Ni 电极的制备  28-29
    3.2.2 电化学测试  29
    3.2.3 物理化学性能测试  29
  3.3 结果与讨论  29-35
    3.3.1 脉冲曲线分析  29-30
    3.3.2 镀层组成及结构分析  30-33
    3.3.3 电化学测试性能  33-35
  3.4 本章小结  35-37
4 磁控溅射制备 Ni-Mo 析氢薄层电极  37-48
  4.1 引言  37-38
  4.2 实验部分  38-40
    4.2.1 磁控溅射工艺流程  38-39
    4.2.2 Ni-Mo 催化镀层的制备  39
    4.2.3 电化学测试  39-40
    4.2.4 物理化学性能表征  40
  4.3 结果与讨论  40-47
    4.3.1 溅射工艺对薄层析氢性能的影响  40-42
    4.3.2 薄层形貌及组成表征  42-44
    4.3.3 薄层 XRD 表征  44-45
    4.3.4 电化学性能测试  45-47
  4.4 本章小结  47-48
5 结论  48-49
致谢  49-50
参考文献  50-55
附录 作者在攻读硕士学位期间所发表的专利  55

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 基本无机化学工业 > 工业气体 > 氢气
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