镍基Ni-S电极及其析氢性能研究

论文摘要

随着经济的高速发展,水电解制氢装置的应用范围也越来越广,研制高催化活性的新型电极,对于降低电解能耗具有十分重要的意义。本论文主要研究了电流密度、镀液温度、电沉积时间、镀液PH值、硫脲浓度等电沉积工艺参数以及电解液温度和电解对镀层结构、形貌和析氢性能的影响,并模拟了在工业电解水工况下电极的电化学活性和稳定性。实验结果表明:电沉积过程中,电流密度为30mA·cm-2、镀液温度为45℃、时间为6080min、镀液pH为4、硫脲浓度为100g·L-1时,Ni-S镀层具有优良的表面积和非晶化程度,表现出最佳的析氢活性;电解液温度对电极析氢性能影响非常明显,随着温度的升高,电极析氢电位不断降低,且在60°C以下受温度影响更明显。镀层电解后,晶化明显,晶粒变得更细更均匀,形成了更多的Ni3S2活性中心,析氢电位变低,比电解前降低约100mV。模拟工业使用工况实验表明,Ni-S电极具有高催化活性和高稳定性,能有效的降低电能的消耗,必将具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 水电解制氢的背景
• 1.2 电解水用析氢阴极材料的发展现状
• 1.2.1 铁基合金电极
• 1.2.2 镍基合金电极
• 1.2.2.1 金属—金属类合金电极
• 1.2.2.2 金属—非金属类合金电极
• 1.2.2.3 复合镀镍基电极
• 1.3 Ni-S 合金电极的研究进展
• 1.4 Ni-S 合金制备工艺中的关键因素
• 1.4.1 基体材料的选择
• 1.4.2 基体镀前预处理
• 1.4.3 镀液配方
• 1.4.4 电沉积工艺参数
• 1.4.5 镀后处理工艺
• 1.4.6 掺杂元素对Ni-S 合金电极的影响
• 1.5 本论文研究意义及研究内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 主要试剂
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 镍电极的准备
• 2.2.2 基体前处理
• 2.2.3 电沉积过程
• 2.2.4 镀后处理
• 2.2.5 活化处理
• 2.3 测试手段
• 2.3.1 Ni-S 涂层的成分与结构分析
• 2.3.2 电化学测量
• 2.3.3 模拟工业电解装置测试
• 2.4 电化学分析理论依据及相关计算
• 2.4.1 30%的KOH 溶液中析氢的平衡电位计算
• 2.4.2 HER 的过电位ηH 计算
• 2.4.3 稳态极化曲线测定电极电化学参数的理论
• 第三章 电沉积工艺参数对涂层形貌、结构及析氢活性影响
• 3.1 前言
• 3.2 电沉积电流密度实验
• 3.2.1 电流密度对镀层硫含量的影响
• 3.2.2 不同电沉积电流密度下镀层显微形貌分析
• 3.2.3 不同电沉积电流密度下镀层的XRD 分析
• 3.2.4 电沉积电流密度对镀层析氢性能的影响
• 3.3 温度实验
• 3.3.1 镀液温度对镀层硫含量的影响
• 3.3.2 不同镀液温度下镀层显微形貌分析
• 3.3.3 不同镀液温度下镀层的 XRD 分析
• 3.3.4 镀液温度对镀层析氢性能的影响
• 3.4 电沉积时间实验
• 3.4.1 电沉积时间对镀层硫含量的影响
• 3.4.2 不同电沉积时间下镀层显微形貌分析
• 3.4.3 不同电沉积时间下镀层XRD 分析
• 3.4.4 电沉积时间对镀层析氢性能的影响
• 3.5 pH 值实验
• 3.5.1 镀液pH 值对镀层硫含量的影响
• 3.5.2 不同镀液pH 值下镀层SEM 分析
• 3.5.3 不同镀液pH 值下镀层的XRD 分析
• 3.5.4 镀液pH 值对镀层析氢性能的影响
• 3.6 硫脲浓度实验
• 3.6.1 硫脲浓度对镀层硫含量的影响
• 3.6.2 不同硫脲浓度下镀层的SEM 分析
• 3.6.3 不同硫脲浓度下镀层的XRD 分析
• 3.6.4 硫脲浓度对镀层析氢性能的影响
• 3.7 镀层硫含量与析氢电位的关系
• 3.8 小结
• 第四章 电解液温度及电解对镀层性能的影响
• 4.1 电解液温度对镀层析氢性能的影响
• 4.2 电解对镀层析氢性能的影响
• 4.2.1 电解后镀层的XRD
• 4.2.2 电解前后镀层的SEM 分析
• 4.2.3 电解前后镀层的析氢性能
• 4.3 小结
• 第五章 试验报告
• 5.1 实验目的
• 5.2 实验方案
• 5.3 实验步骤
• 5.4 测试数据
• 5.5 讨论
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢