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镍基电催化析氢电极材料的研究

作　者: 谢正伟
导　师: 何平
学　校: 西南科技大学
专　业: 分析化学
关键词: 析氢电极沸石坡缕石氧化镱电催化
分类号: TQ116.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

氢气是一种理想、高效的能源。在众多制氢技术中，电解水制氢具有操作简便、成本低廉和无污染等优点，被认为是一种最有前途的制氢技术。高效的析氢电极材料应具有导电性好、比表面积大、析氢过电位低、电催化活性高、电化学稳定性好且抗腐蚀性强等特点。然而，大部分电极由于高析氢过电位产生的高能耗没有在实际生产中得到广泛应用，因此，制备性能优良的低析氢过电位的电极材料具有重要的意义。本课题采用电沉积方法，以金属钛片作为基底，分别在酸性电解液、碱性电解液、含沸石电解液、含Yb₂O₃粉末电解液以及含坡缕石微粒电解液等介质中制备了多种析氢电极，并分别研究了所得电极的电化学析氢行为。通过对在酸性电解液和碱性电解液中电沉积制备的镍基合金的催化析氢性能比较发现，在碱性电解液中制备的镍基合金比在酸性电解液中制备的镍基合金析氢性能要好，主要原因在于氨水与Ni2+形成络合物，电沉积时阴极极化增大，抑制了晶核的生长速率，减小了晶体颗粒的大小，进而增大了电极的比表面积，提高了电极的催化析氢性能。将4A沸石（4A-zeolite）加入到弱碱性溶液后共沉积得到Ni-zeolite复合电极，由于氨水的络合作用和沸石的协同作用，其电极比表面积进一步加大，电极的催化析氢性能进一步提高。将制备的Ni-zeolite复合电极浸于稀盐酸中溶掉其中的沸石，形成多孔镍基电极，其表面孔洞直径大约300⁴00nm。计算表明，多孔镍基电极真实面积是表观面积的28倍，反应的表观活化能降低了22.12kJmol^-1。稳态极化曲线也表明当电流密度为40mAcm^-2时，多孔镍基电极的析氢过电位比Niam电极的析氢电极电位降低了300mV左右，原因归结于多孔结构的形成提高了电极的真实表面积。采用共沉积技术制备了Ni-Yb₂O₃复合电极。通过XRD图谱可以证明，Yb₂O₃固体颗粒成功地嵌入合金电极中，扫描电镜也证明了Ni-Yb₂O₃复合电极表面比纯镍电极更加粗糙，这样的结构有利于析氢反应的进行。Ni-Yb₂O₃复合电极具有较高的催化析氢性能，其表观交换电流密度是纯Ni电极的32倍，反应表观活化能降低了20.08kJmol^-1。稳态极化曲线也表明当电流密度为40mAcm^-2时，Ni-Yb₂O₃复合电极的析氢过电位比纯Ni电极的析氢电极电位降低了400mV左右。原因归结于一方面Yb₂O₃的加入提高了电极的真实表面积，另一方面Yb₂O₃微粒与金属Ni的协同效应使反应的活化能大大降低。利用电沉积技术制备了Ni-坡缕石复合电极。XRD图谱表明坡缕石粉末的加入降低了镍金属的结晶度，扫描电镜证明了坡缕石的加入改变了镍基电极表面的形貌，增大了电极的比表面积，这些改变都有利于析氢反应的进行。稳态极化曲线表明，当电流密度为40mAcm^-2时，Ni-坡缕石复合电极的催化氢析电位比纯Ni电极的析氢电位正移300mV。通过Tafel极化曲线得到析氢反应的动力学参数i₀、b、R_ct等，计算出交换电流密度增大了3.03倍，电极反应表观活化能减小12.42kJmol^-1，表明坡缕石的加入提高了电极的催化析氢性能。可以认为，坡缕石与金属镍的共沉积产生了协同作用，增加了电极的表面积，增强了Ni-坡缕石复合电极的催化析氢活性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-29
  1.1 电解水制氢的研究意义  11-16
    1.1.1 能源的现状及分类  11-12
    1.1.2 氢能的优点及利用  12-13
    1.1.3 氢气的制备方法  13-14
    1.1.4 电解水制氢的基本原理  14-16
  1.2 析氢电极材料的研究现状  16-24
    1.2.1 析氢电极材料的发展历史  16-18
    1.2.2 析氢电极材料的分类  18-19
    1.2.3 析氢电极材料的制备方法  19-21
    1.2.4 提高镍基析氢电极材料析氢性能的方法  21-24
  1.3 多孔硅酸盐  24-26
    1.3.1 沸石  24-25
    1.3.2 坡缕石  25-26
  1.4 本论文的选题依据及研究意义  26-27
  1.5 本论文的研究思路和研究内容  27-28
    1.5.1 研究思路  27
    1.5.2 研究内容  27-28
  1.6 本论文创新点  28-29
2 四种镍基电极析氢性能的比较  29-46
  2.1 前言  29-30
  2.2 实验部分  30-37
    2.2.1 试剂与仪器  30
    2.2.2 四种镍基电极制备所需电解液  30-31
    2.2.3 四种镍基电极的制备  31-34
    2.2.4 镀层性能测试  34-37
  2.3 结果与讨论  37-45
    2.3.1 镀层结构与表面形貌分析  37-39
    2.3.2 镀层析氢性能分析  39-45
  2.4 小结  45-46
3 Ni-Yb_2O_3复合电极制备及其析氢性能研究  46-60
  3.1 前言  46
  3.2 实验部分  46-52
    3.2.1 试剂与仪器  46-47
    3.2.2 电解液组成  47
    3.2.3 电极的制备  47-50
    3.2.4 电极性能测试  50-52
  3.3 结果与讨论  52-59
    3.3.1 电极的结构与表面形貌分析  52-54
    3.3.2 电极析氢性能分析  54-59
  3.4 小结  59-60
4 Ni-坡缕石复合电极制备及其析氢性能研究  60-74
  4.1 前言  60
  4.2 实验部分  60-66
    4.2.1 试剂与仪器  60-61
    4.2.2 电解液组成  61-62
    4.2.3 电极的制备  62-64
    4.2.4 电极镀层性能测试  64-66
  4.3 结果与讨论  66-73
    4.3.1 电极结构与表面形貌分析  66-68
    4.3.2 电极析氢性能测试  68-73
  4.4 小结  73-74
结论  74-76
致谢  76-77
参考文献  77-91
攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果  91

镍基电催化析氢电极材料的研究

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