钴尖晶石水电解用复合阳极的制备及性能研究

论文题目: 钴尖晶石水电解用复合阳极的制备及性能研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料科学与工程

作者: 池波

导师: 李建保,林红

关键词: 钴尖晶石,复合电极,电泳沉积,析氧电催化,过电位

文献来源: 清华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 论文对水电解制氢用钴尖晶石复合阳极材料的制备方法和电催化性能进行了研究。传统的碱性水电解制氢工艺中金属镍阳极材料存在着过电位高、能量利用率低、稳定性差等缺点,本论文的目的就是研究制备具有过电位低、能量消耗小、稳定性好的新型钴尖晶石复合阳极材料。研究内容包括钴尖晶石氧化物的制备及表征,钴尖晶石/镍复合电极的制备方法,复合电极的析氧电催化性能及电催化机理。系统研究了四种钴尖晶石MCo2O4（M=Ni,Cu,Zn,Mn）的物理化学特征;研究了钴尖晶石/镍复合电极的新型制备方法,成功应用合金氧化法和电泳沉积法制备了复合电极;运用电化学方法对复合电极的表面粗糙度进行了计算,并对其析氧电催化性能和机理进行了评价和分析。钴尖晶石复合电极表现出良好的析氧电催化性能。表面涂敷法制备的电极在100mAcm-2时的过电位分别为0.454V （ZnCo2O4） 、0.469V (Cu0.9Co2.1O4)、0.476V （NiCo2O4）、0.510 V（MnCo-2O4）,显著小于金属镍的过电位（>0.65V） ; 而电泳沉积法制备的电极过电位更小, 分别为0.447V（ZnCo2O4）、0.468V(Cu0.9Co2.1O4)和0.472V（NiCo2O4）。析氧电催化性能的优劣顺序依次为ZnCo2O4>Cu0.9Co2.1O4> NiCo2O4> MnCo2O4。同时复合电极具有良好的电催化稳定性。研究表明,电泳沉积法比常用的表面涂敷法更加适合作为复合电极的制备方法,为复合电极的制备提供了一种新的工艺方法。研究证实,析氧过程中电极表面出现的Co 的高价低价离子之间的氧化还原转变是尖晶石参与析氧反应的重要步骤。而钴尖晶石中其它阳离子对电催化性能的贡献并不明显。直接参与析氧反应的主要为钴尖晶石表面占据八面体位置的钴离子,其含量决定了复合电极的电催化性能。ZnCo2O4由于具有最高的表面钴离子含量而显示出最佳的析氧电催化性能。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 引言

1.1 课题目的和意义

1.2 研究的内容和方法

第二章 国内外研究进展

2.1 水电解电化学基础

2.1.1 电极电位的形成

2.1.2 析氧反应

2.1.3 极化和氧过电位

2.2 工业水电解制氢发展现状

2.2.1 碱性水电解制氢

2.2.2 固体聚合物电解质水电解制氢

2.2.3 高温水蒸汽电解制氢

2.3 水电解阳极材料研究进展

2.3.1 金属及合金材料

2.3.2 贵金属氧化物

2.3.3 钙钛矿型氧化物

2.4 尖晶石型氧化物研究进展

2.4.1 制备方法

2.4.2 物理化学性能

2.4.3 钴尖晶石的电催化性能

2.4.4 电催化机理

第三章 钴尖晶石氧化物的制备

3.1 实验过程

3.2 NiCO_2O_4 的物化性能

3.2.1 热分析

3.2.2 物相组成分析

3.2.3 比表面积

3.3 CuxCO_3-x0_4 的物化性能

3.3.1 XRD 结果与阳离子分布

3.3.2 比表面积

3.4 ZnCO_2O_4 和 MnCO_2O_4 的物化性能

3.5 本章小结

第四章 钴尖晶石/镍复合电极的制备

4.1 表面涂敷法

4.1.1 XRD 分析

4.1.2 复合电极的形貌

4.2 合金氧化法

4.2.1 Ni-Co 合金制备

4.2.2 合金的氧化

4.3 电泳沉积法

4.3.1 理论基础

4.3.2 实验研究

4.3.3 结果与讨论

4.4 复合电沉积法

4.4.1 理论基础

4.4.2 实验研究

4.5 本章小结

第五章 复合电极的析氧电催化性能

5.1 研究方法

5.2 电极循环伏安法研究

5.2.1 金属离子氧化还原转变

5.2.2 复合电极粗糙度

5.3 电极析氧催化性能

5.3.1 金属镍电极

5.3.2 NiCO_2O_4 复合电极

5.3.3 Cu_xCO_3-xO_4 复合电极

5.3.4 ZnCO_2O_4 复合电极

5.3.5 MnCO_2O_4 复合电极

5.4 复合电极的稳定性

5.5 复合电极电催化机理及析氧过程

5.5.1 电催化性能影响因素

5.5.2 析氧电催化机理

5.6 本章小结

结论

参考文献

致谢与声明

个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文

发布时间: 2005-11-16

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