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Ni/尖晶石氧化物复合电极的制备及其析氧电催化性能研究

作　者: 王丽品
导　师: 王森林
学　校: 华侨大学
专　业: 化学
关键词: Ni/NiFe2O4 Ni/NiCo2O4 Ni/ZnxNi1-xCo2O4 析氧反应电催化稳定性
分类号: TQ116.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

环境和能源是人类社会赖以存在发展的前提，因此作为二次清洁能源的氢能倍数瞩目。目前，碱性电解H2O制备H2是工业制备高纯度H2的重要手段，而且可把生活中部分过剩电量转换为氢能储存下来，进而节约能源。但是，析氧过电位过高，是造成电解H2O过程高能耗、低效率的一个主要原因。因此，研究低析氧过电位、高稳定、低成本的电解H2O阳极材料，具有极其重要的现实意义。为提高复合电极的电催化析氧活性及其稳定性。本文选择碱性条件下耐腐蚀的Ni为基体；具有优良的电催化活性、耐腐蚀性、导电性和化学稳定性的尖晶石型氧化物NiFe₂O₄、NiCo₂O₄、Zn_1-xNixCo₂O₄作为电极材料。分别通过复合电沉积和涂覆法制备复合电极Ni/NiFe₂O₄、Ni/NiCo₂O₄和Ni/Zn_1-xNixCo₂O₄。采用氢氧化物共沉淀法制备NiFe₂O₄粉体、Zn_xNi_1-xCo₂O₄系列氧化物粉体，溶胶-凝胶法制备NiCo₂O₄粉体，通过TG-DTA测试估计其制备温度。为增强结合力提高复合电极稳定性、减小内阻提高电催化活性性，研究将NiFe₂O₄粉体加入瓦特镀镍液中，采用复合电沉积制备Ni/NiFe₂O₄复合镀层电极，探索的最佳工艺条件为pH=5.8～6.0、jk=40～60mA·cm-2，在此条件下所得复合电极中NiFe₂O₄的质量含量最高可达55.15%；为克服传统涂覆法难以制备出结合力好的较厚涂层，通过复合溶胶涂覆、烧结制备出了比表面积大、分布均匀的Ni/NiCo₂O₄复合涂层电极；为了克服一般涂覆法的不足，采用计量准确、杂质含量少、产物比表面积大等优点的前驱体涂覆法制备Ni/Zn_xNi_1-xCo₂O₄复合涂层电极。运用扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）和X射线衍射仪（XRD）对粉体以及复合电极的形貌、结构、组成进行表征。在5mol·L-1KOH溶液中，采用循环伏安（CV）、稳态极化、恒电位阶跃以及电化学阻抗（EIS）等电化学技术研究了复合电极在析氧反应（OER）中电催化性能。结果发现，起始析氧电位由负到正的顺序依次为：Ni/NiCo₂O₄复合涂层电极（0.3V），Ni/Zn0.3Ni0.7Co₂O₄复合涂层电极（0.3V），Ni/NiFe₂O₄复合镀层电极（0.4V），多孔Ni电极（0.5V），Ni电极（0.6V），说明在OER中对应的析氧电催化活性依次由强到弱。EIS研究了复合电极的析氧反应机理：Ni/NiFe₂O₄复合电极OER由电化学步骤和扩散步骤联合控制；Ni/NiCo₂O₄复合电极整个电化学过程中极化起主要作用；Ni/Zn_xNi_1-xCo₂O₄复合电极OER由电荷转移和Nernst扩散过程混合控制。采用恒电位长时间电解实验研究了电极的析氧稳定性，在析氧电位下连续电解35h发现，三种电极析氧稳定性较好。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-28
  1.1 前言  10
  1.2 应用前景  10-12
    1.2.1 应用前景综述  10-11
    1.2.2 氢能  11-12
  1.3 析氧电催化材料的研究现状  12-19
    1.3.1 析氧电催化材料的活性和稳定性影响因素  13-14
    1.3.2 传统析氧电催化材料  14-15
    1.3.3 尖晶石型 AB_2O_4氧化物  15-18
    1.3.4 尖晶石型 AB_2O_4氧化物的析氧机理研究  18-19
  1.4 尖晶石型析氧电催化材料的制备方法  19-22
    1.4.1 热分解法  20
    1.4.2 水热合成法  20
    1.4.3 自蔓延高温合成法  20-21
    1.4.4 化学气相沉积法  21
    1.4.5 微乳液法  21
    1.4.6 固相反应法  21
    1.4.7 沉淀法  21-22
    1.4.8 溶胶-凝胶法  22
  1.5 电极制备方法  22-25
    1.5.1 化学镀  22-23
    1.5.2 压片法  23
    1.5.3 涂覆法  23
    1.5.4 复合电沉积  23-25
  1.6 课题研究目的与意义  25-28
    1.6.1 研究意义  25-26
    1.6.2 研究内容  26
    1.6.3 创新点  26-28
第2章试验方法与表征  28-36
  2.1 主要试验仪器和试剂  28-29
    2.1.1 主要仪器  28
    2.1.2 主要试剂  28-29
  2.2 尖晶石型氧化物的制备  29-31
    2.2.1 NiFe_2O_4的制备  29
    2.2.2 NiCo_2O_4的制备  29-31
  2.3 电极的制备  31-32
    2.3.1 基体 Ni 的制备  31
    2.3.2 Ni/NiFe_2O_4复合镀层电极的制备  31-32
    2.3.3 Ni/NiCo_2O_4复合涂层电极的制备  32
    2.3.4 Ni/Zn_xNi_(1-x)Co_2O_4复合涂层电极的制备  32
  2.4 尖晶石氧化物以及复合电极结构、组成、性能表征  32-36
    2.4.1 TG-DTA 表征方法  32-33
    2.4.2 XRD 表征方法  33
    2.4.3 SEM 和 EDS 表征方法  33
    2.4.4 IR 光谱表征方法  33-34
    2.4.5 电化学技术测试  34-36
第3章 Ni/NiFe_2O_4复合镀层电极的制备及其析氧电催化性能  36-50
  3.1 Ni/NiFe_2O_4复合镀层电极的制备  36-38
    3.1.1 NiFe_2O_4粉体的制备  36-37
    3.1.2 复合镀层电极中 NiFe_2O_4质量含量的影响因素  37-38
  3.2 Ni/NiFe_2O_4复合镀层电极的表面形貌、组成以及结构  38-40
  3.3 Ni/NiFe_2O_4复合镀层电极的析氧电催化性能  40-44
  3.4 Ni/NiFe_2O_4复合镀层电极的析氧机理  44-46
  3.5 Ni/NiFe_2O_4复合镀层电极的析氧稳定性能  46-47
  3.6 本章小结  47-50
第4章 Ni/NiCo_2O_4复合涂层电极的制备及其析氧电催化性能  50-60
  4.1 NiCo_2O_4粉体的制备  50-51
  4.2 Ni/NiCo_2O_4复合涂层电极的表面形貌、组成以及结构  51-53
  4.3 Ni/NiCo_2O_4复合涂层电极的析氧电催化性能  53-56
  4.4 Ni/NiCo_2O_4复合涂层电极的析氧机理  56-58
  4.5 Ni/NiCo_2O_4复合涂层电极的析氧稳定性能  58-59
  4.6 本章小结  59-60
第5章 Ni/Zn_xNi_(1-x)Co_2O_4复合涂层电极的制备及其析氧电催化性能  60-72
  5.1 Ni/Zn_xNi_(1-x)Co_2O_4复合涂层电极制备  60-61
  5.2 Ni/Zn_xNi_(1-x)Co_2O_4复合涂层电极的表面形貌、组成以及结构  61-63
  5.3 Ni/Zn_xNi_(1-x)Co_2O_4复合涂层电极的析氧电催化性能  63-68
  5.4 Ni/Zn_xNi_(1-x)Co_2O_4复合涂层电极的析氧机理  68-70
  5.5 Ni/Zn_xNi_(1-x)Co_2O_4复合涂层电极的稳定性能  70-71
  5.6 本章小结  71-72
第6章结论与展望  72-74
参考文献  74-84
致谢  84-86
个人简历、研究生期间撰写论文及发表情况  86

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