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高性能水电解电极的制备工艺与性能研究

2020-12-06阅读(435)

高性能水电解电极的制备工艺与性能研究

论文摘要

氢能作为高效、洁净和理想的二次能源,一直倍受各国科技工作者的关注。电解水制氢是实现工业化、廉价制备氢气的重要手段。在电解反应过程中存在的析氢和析氧过电位使电解时槽电压增大,能耗增加。为了降低能耗,研究和开发具有高催化活性的析氢和析氧电极材料具有重要的理论意义和实用价值。本论文分别采用电沉积法和热分解法制备了具有较高催化活性的析氢和析氧电极材料,通过电化学分析方法等手段对电极的性能进行了研究。通过复合电沉积技术首次制备了Ni-Fe-TiO2复合电极,采用单因素试验法研究了TiO2微粒的含量、电流密度、温度及沉积时间对复合镀层性能的影响,得到了最佳制备工艺参数,并利用SEM和EDS等方法对电极进行了表征。通过极化曲线及交流阻抗测试,研究了析氢电极的催化活性,并与纯Ni电极,Ni-Fe合金电极,Fe-TiO2和Ni-TiO2复合电极的析氢催化性能进行了比较。同一温度下,Ni-Fe-TiO2复合电极析氢反应的交换电流密度大于其他四种电极;在相同电流密度时,Ni-Fe-TiO2复合电极的析氢过电位最小;电极的表观活化能研究结果表明,Ni-Fe-TiO2复合电极析氢反应的表观活化能最小,从能量因素方面证明该电极具有最佳析氢活性。另外,采用交流阻抗研究得到Ni-Fe-TiO2复合电极具有最小的析氢反应电阻和最大的表面粗糙度,进而从几何因素方面证明了Ni-Fe-TiO2复合电极具有最高的电催化活性。通过浸渍-热分解方法制备了具有较高催化活性的镍钴氧化物膜电极,并在氧化物膜中引入粘结剂PTFE和全氟磺酸树脂,测试了它们在碱性介质中的析氧活性。实验结果表明,粘结剂的引入没有导致氧化物膜电极析氧活性的降低。经较长时间电解反应后,与未加入粘结剂相比,全氟磺酸树脂-镍钴氧化物膜电极的析氧过电位降低了71mV,显示了较高的催化性能。EDS元素分析表明,所得到的全氟磺酸树脂-镍钴氧化物膜可能具有尖晶石型结构。交流阻抗实验表明膜电极具有较大的表面粗糙度。制备得到的全氟磺酸树脂-镍钴氧化物膜电极具有一定的工业应用前景。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪 论
  • 1.1 现有制氢技术和工艺概况
  • 1.2 电解水的发展概况及其现状
  • 1.3 析氢电极材料的研究现状
  • 1.3.1 析氢电极的制备方法
  • 1.3.2 析氢电极材料
  • 1.4 析氧电极材料的研究现状
  • 1.4.1 析氧电极的制备方法
  • 1.4.2 析氧电极材料
  • 1.5 本课题的研究内容及意义
  • 第2章 析氢电极材料的制备工艺
  • 2.1 析氢电极的制备
  • 2.1.1 析氢电极的制备流程
  • 2.1.2 Ni 电极的制备工艺
  • 2.1.3 Ni-Fe 合金电极的制备工艺
  • 2复合电极的制备工艺'>2.1.4 Fe-TiO2复合电极的制备工艺
  • 2复合电极的制备工艺'>2.1.5 Ni-TiO2复合电极的制备工艺
  • 2复合电极的制备工艺'>2.1.6 Ni-Fe-TiO2复合电极的制备工艺
  • 2.2 镀层的结合力试验
  • 2.3 析氢电极的阴极极化曲线测试
  • 2.4 制备工艺对电极性能的影响
  • 2.4.1 沉积时间对 Ni 镀层表面状态及结合力的影响
  • 2.4.2 沉积时间对 Ni-Fe 合金镀层表面状态及结合力的影响
  • 2复合电极性能的影响'>2.4.3 制备工艺对 Fe-TiO2复合电极性能的影响
  • 2复合电极性能的影响'>2.4.4 制备工艺对 Ni-TiO2复合电极性能的影响
  • 2复合电极性能的影响'>2.4.5 制备工艺对 Ni-Fe-TiO2复合电极性能的影响
  • 2.5 电极的表面形貌及组成
  • 2.5.1 电极表面形貌分析
  • 2.5.2 镀层组成分析
  • 2.6 本章小结
  • 第3章 析氢电极的催化性能
  • 3.1 不同电极在碱性介质中的阴极极化曲线比较
  • 3.2 Ni 电极表观活化能的测量
  • 3.3 Ni-Fe 合金电极表观活化能的测量
  • 3.4 Fe-TiO复合电极表观活化能的测量
  • 2复合电极表观活化能的测量'>3.5 Ni-TiO2复合电极表观活化能的测量
  • 2复合电极表观活化能的测量'>3.6 Ni-Fe-TiO2复合电极表观活化能的测量
  • 3.7 电极的交流阻抗研究
  • 3.8 本章小结
  • 第4章 析氧电极材料的制备工艺及催化性能
  • 4.1 析氧电极的制备
  • 4.1.1 镍钴氧化物膜电极的制备
  • 4.1.2 PTFE-镍钴氧化物膜电极的制备工艺
  • 4.1.3 全氟磺酸树脂-镍钴氧化物膜电极的制备工艺
  • 4.2 电极的表面形貌及组成
  • 4.2.1 氧化物膜电极表面形貌分析
  • 4.2.2 氧化物膜电极组成分析
  • 4.3 析氧电极的催化性能
  • 4.3.1 泡沫镍电极的性能
  • 4.3.2 镍钴氧化物膜电极的性能
  • 4.3.3 PTFE-镍钴氧化物膜电极的催化性能
  • 4.3.4 全氟磺酸树脂-镍钴氧化物膜电极的催化性能
  • 4.4 不同电极的催化性能比较
  • 4.5 电极的交流阻抗研究
  • 4.6 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
  • 致谢

    • 相关论文文献

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