納米多級孔鎳合金復(fù)合電極的制備及電催化析氫性能研究.pdf

1、氫能是一種可再生的清潔能源，具有資源豐富、易儲存等許多突出的優(yōu)點(diǎn)。隨著化石燃料的枯竭及環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，氫能越來越受到人們的重視。電解水是大規(guī)模制氫的重要途徑，為了降低陰極過電位以節(jié)約能耗，研究低析氫過電位、高催化活性的陰極材料具有重要的意義。影響析氫材料催化活性的因素主要有能量因素和幾何因素。因此，制備高催化活性的析氫陰極材料，主要通過兩種方式實現(xiàn):一是尋找高催化活性的新型催化材料，提高電極本身的電化學(xué)活性;二是提高電極的真實比表面

2、積，即增大電極的表面粗糙度，使電解過程中電極表面的真實電流密度降低，達(dá)到降低析氫過電位的目的。本論文采用電沉積法制備納米多級孔鎳合金復(fù)合電極，利用SEM、EDS、TEM以及XRD對合金電極的表面進(jìn)行了表征，并比較了不同復(fù)合電極在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25％ KOH溶液中的電催化析氫性能，為實現(xiàn)低能耗、高效率電解水制氫提供技術(shù)支持和理論支持，論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1、探討了在檸檬酸體系中主要組份及工藝參數(shù)對電沉積Ni-W合金的成分和表面

3、質(zhì)量的影響，得出電沉積Ni-W合金的最佳配方和工藝參數(shù)，獲得Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為74.22％，W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.78％的光亮Ni-W合金鍍層。分別以納米二氧化硅微球、納米聚苯乙烯微球以及氫氣泡為模板，采用無機(jī)模板移除電沉積法，有機(jī)模板移除電沉積法以及氣泡模板法制備了多孔Ni-W合金電極，結(jié)果表明:采用無機(jī)模板移除電沉積法和有機(jī)模板移除電沉積法制備多孔Ni-W合金電極，雖然方法可行，但作為析氫電極用于電解水制氫，該電極的效果不佳;采用氣泡模

4、板法制備多孔Ni-W合金電極時，發(fā)現(xiàn)在高的陰極電流密度下，雖然可以獲得多孔結(jié)構(gòu)的鍍層，但是不易獲得多孔Ni-W合金電極。
　　2、探討了在檸檬酸體系中主要組份及工藝參數(shù)對電沉積Ni-Mo合金的成分、表面形貌以及電催化析氫活性的影響，得出電沉積Ni-Mo合金的最佳配方和工藝參數(shù)，獲得Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64.49％，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.51％的光亮Ni-Mo合金鍍層。采用溶膠凝膠-表面活性劑法制備出平均粒徑為510nm的二氧化鈦顆粒，

5、采用原位合成法成功地制備出直徑為200-500nm，比表面積達(dá)573m2/g，孔體積為1.19cm3/g，介孔孔徑為3.2nm的納米多級孔Ti-SiO2顆粒，采用同樣的方法成功地制備出直徑為200-800nm，比表面積達(dá)396m2/g，孔體積為1.37cm3/g，介孔孔徑在3.3nm的納米多級孔Al-SiO2顆粒。分別以納米TiO2顆粒，納米多級孔Ti-SiO2顆粒和納米多級孔Al-SiO2顆粒作為復(fù)合粒子，制備出Ni-Mo復(fù)合電極，通

6、過析氫極化曲線比較每種復(fù)合粒子濃度對復(fù)合電極電催化析氫活性的影響，結(jié)果表明:鍍液中納米TiO2、納米多級孔Ti-SiO2和納米多級孔Al-SiO2的濃度分別為4g/L，2g/L和2g/L時，復(fù)合電極的電催化析氫活性達(dá)到最佳值。在最佳復(fù)合粒子濃度的條件下，比較三種復(fù)合粒子對復(fù)合電極電催化析氫活性的影響，結(jié)果表明:三種Ni-Mo合金復(fù)合電極的電催化析氫活性比Ni-Mo合金電極都要好，其中納米多級孔Ti-SiO2/Ni-Mo復(fù)合電極電催化析氫

7、活性最好，納米多級孔Al-SiO2/Ni-Mo復(fù)合電極次之，納米TiO2/Ni-Mo復(fù)合電極最差。
　　3、探討了在檸檬酸體系中主要組份及工藝參數(shù)對電沉積Ni-Co合金的成分和電催化析氫活性的影響，得出電沉積Ni-Co合金的最佳配方和工藝參數(shù)，得到Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.25％，Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.75％的Ni-Co合金鍍層。采用模板溶解法制備出尺寸大約為70 nm，球殼厚度為10 nm左右，且空心球內(nèi)外壁呈現(xiàn)多級孔結(jié)構(gòu)，比表面積

8、達(dá)896 m2/g，孔體積達(dá)1.30 cm3/g的空心納米多級孔硅氫化合物顆粒，利用硅氫鍵的還原性，成功地在納米多級孔硅氫化合物上負(fù)載貴金屬Pd，通過TEM圖表征發(fā)現(xiàn):Pd納米顆粒分布在納米多級孔硅氫化合物顆粒的內(nèi)部和表面上，內(nèi)部Pd納米顆粒的粒徑大約為3 nm，表面上Pd納米顆粒的粒徑為10-30 nm左右，且沒有破壞其內(nèi)部的空心結(jié)構(gòu)，得到納米多級孔Pd-SiO2顆粒，以該納米多級孔顆粒為復(fù)合粒子，制備出納米多級孔Pd-SiO2/Ni

9、-Co復(fù)合電極，通過對Ni-Co合金電極和納米多級孔Pd-SiO2/Ni-Co復(fù)合電極的電催化析氫性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明:Ni-Co合金的電催化析氫活性比純鎳要好得多，并隨著合金鍍層中Co含量的增加，電極電催化析氫活性不斷增強(qiáng)，當(dāng)鍍液中納米多級孔Pd-SiO2顆粒濃度為1.8g/L時，納米多級孔Pd-SiO2/Ni-Co復(fù)合電極的電催化析氫活性最好。通過TEM圖表征發(fā)現(xiàn):Pd納米顆粒分布在納米多級孔硅氫化合物顆粒的內(nèi)部和表面上，內(nèi)部Pd

10、納米顆粒的粒徑大約為3nm，表面上Pd納米顆粒的粒徑為10-30nm左右，且沒有破壞其內(nèi)部的空心結(jié)構(gòu)，得到納米多級孔Pd-SiO2顆粒，以該納米多級孔顆粒為復(fù)合粒子，制備出納米多級孔Pd-SiO2/Ni-Co復(fù)合電極，通過對Ni-Co合金電極和納米多級孔Pd-SiO2/Ni-Co復(fù)合電極的電催化析氫性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明:Ni-Co合金的電催化析氫活性比純鎳要好得多，并隨著合金鍍層中Co含量的增加，電極電催化析氫活性不斷增強(qiáng)，當(dāng)鍍液中納

11、米多級孔Pd-SiO2顆粒濃度為1.8g/L時，納米多級孔Pd-SiO2/Ni-Co復(fù)合電極的電催化析氫活性最好。
　　4、系統(tǒng)探討了各種工藝參數(shù)對電沉積Ni-Mo-Co合金的成分和電催化析氫活性的影響，確定出在檸檬酸體系中電沉積Ni-Mo-Co合金的最佳配方和工藝參數(shù)，得到Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.10％，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.15％，Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.75％的光亮Ni-Mo-Co合金鍍層。通過對不同組分的Ni-Mo-Co合金電

12、極的電催化析氫性能進(jìn)行比較，結(jié)果表明:隨著合金鍍層中Mo和Co含量的增加，合金電極的電催化析氫活性逐漸增大;通過比較納米多級孔Pd-SiO2/Ni-Mo-Co復(fù)合電極、納米多級孔Ti-SiO2/Ni-Mo-Co復(fù)合電極以及Ni-Mo-Co合金電極的電催化活性，結(jié)果表明:納米多級孔Ni-Mo-Co復(fù)合電極的電催化析氫性能比Ni-Mo-Co合金電極要好，且納米多級孔Pd-SiO2/Ni-Mo-Co復(fù)合電極的電催化析氫活性比納米多級孔Ti-S