碱性电解水析氢电极研究

论文摘要

氢能具有环保、可储存、可再生等优点,受到了世界各国广泛的重视。电解水制氢是实现大规模、廉价地生产氢的重要途径,但由于析氢过电位的存在使电解槽压增大,能耗增加。为了降低析氢过电位以减少能耗,开发廉价且具有高析氢催化活性的电极材料具有重要的现实意义。本论文采用电沉积法制备了具有高催化析氢活性的电极材料,并对合金电极的电沉积机理、在30%KOH溶液中的析氢电催化性能进行了研究,采用SEM、EDS对电极进行了表征。应用电化学方法研究了Ni-Fe-W合金的电沉积机理,并对Ni-Fe-W合金镀层的微观形貌和组成成分进行了表征。循环伏安测试表明,Ni-Fe-W合金电沉积是不可逆电极过程,且WO42-浓度的变化不改变电沉积机理;计时电流法研究表明,Ni-Fe-W合金在铜电极上的电结晶过程符合三维瞬时成核的生长机理;SEM和EDS结果表明,Ni-Fe-W合金镀层由纳米级的小颗粒组成,合金的表观原子组成为Ni58.76%,Fe32.7%,W8.52%。采用电沉积法制备了Ni-Fe-W合金电极。采用正交试验和单因素实验系统研究了镀液中钨酸钠浓度、硼酸浓度、柠檬酸钠浓度、电流密度、电沉积温度等工艺参数对电极的催化析氢活性的影响,确定了最佳的电沉积工艺参数。在最佳工艺参数条件下,制备了Ni-Fe-W合金电极,其SEM观察表明,电极表面粗糙,由许多纳米级颗粒组成;EDS元素分析得合金的表观原子组成为Ni63.79Fe34.35W1.86,其中元素钨的原子百分比约为1.86%。电化学测试方法研究了Ni-Fe-W合金电极的析氢电催化性能,结果表明Ni-Fe-W合金电极的催化析氢活性比Ni-Fe合金、Ni-W合金、Ni电极都高;相同条件下,Ni-Fe-W合金电极的过电位η100（i=100mA?cm-2）为0.074V,与Ni电极相比降低了0.377V。采用赫尔槽实验对元素进行了筛选,实验结果表明Ni、Fe、Co、W四种元素组成的合金具有较好的析氢催化性能。并结合正交实验以及单因素实验对电沉积Fe-Co-Ni-W合金电极的制备工艺进行了研究,确定了制备高析氢活性Fe-Co-Ni-W合金电极的最佳工艺参数。在最佳工艺参数条件下,制备了Fe-Co-Ni-W合金电极,其SEM观察表明,由许多纳米级颗粒组成;EDS元素分析得合金的表观原子组成Fe67.27Co25.74Ni4.03W2.96,其中元素钨的原子百分比约为2.96%,Co的原子百分比约为25.74%。Fe-Co-Ni-W合金电极的析氢电催化性能研究结果表明,Fe-Co-Ni-W合金电极的过电位η100为0.059V ,η200（i=200mA?cm-2）为0.105V ,交换电流密度i0为2.61×10-2A?cm-2,析氢表观活化能为26.83kJ?mol-1,具有较高的析氢催化活性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 氢能的研究现状
• 1.1.1 氢能的特点
• 1.1.2 氢气的制备方法
• 1.2 电催化活性析氢材料
• 1.2.1 电沉积法制备析氢阴极的理论依据
• 1.2.2 电催化活性析氢合金材料研究现状
• 1.3 Ni 基合金电极的电催化析氢机理
• 1.4 本文研究内容及意义
• 第2章 实验
• 2.1 实验仪器及药品
• 2.1.1 主要仪器
• 2.1.2 主要药品试剂
• 2.2 合金电极的制备
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 电极的前处理
• 2.2.3 制备合金电极的镀液的组成及工艺参数
• 2.3 电极的表观形貌及组成成分分析
• 2.4 电化学性能研究
• 2.4.1 电化学测试条件
• 2.4.2 电极稳态极化曲线的测试
• 2.4.3 交流阻抗测试
• 2.4.4 小幅度三角波电位法的测试
• 第3章 镍铁钨合金的电沉积行为研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验溶液
• 3.1.2 电化学测试
• 3.1.3 镀层形貌及成分分析
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 Ni-Fe-W 电沉积过程的循环伏安行为
• 4^2－的浓度对循环伏安曲线的影响'>3.2.2 WO₄^2－的浓度对循环伏安曲线的影响
• 3.2.3 扫描速度对循环伏安曲线的影响
• 3.2.4 镍铁钨合金的成核机理
• 3.2.5 镍铁钨合金的微观形貌和成分组成
• 3.3 结论
• 第4章 Ni-Fe-W 合金的制备及析氢性能研究
• 4.1 正交实验
• 4.2 电沉积工艺对Ni-Fe-W 合金电极析氢性能的影响
• 4.2.1 镀液中钨酸钠浓度对Ni-Fe-W 合金电极析氢性能的影响
• 4.2.2 镀液中硼酸浓度对Ni-Fe-W 合金电极析氢性能的影响
• 4.2.3 电流密度对Ni-Fe-W 合金电极析氢性能的影响
• 4.2.4 镀液中柠檬酸钠浓度对Ni-Fe-W 合金电极析氢性能的影响
• 4.2.5 温度对Ni-Fe-W 合金电极析氢性能的影响
• 4.2.6 制备Ni-Fe-W 合金电极的最佳工艺参数
• 4.3 合金电极的形貌、组成成分分析
• 4.4 电化学性能研究
• 4.4.1 不同电极在碱性介质中的析氢催化性能
• 4.4.2 Ni-Fe-W 合金电极和Ni 电极的比表面积比较
• 4.4.3 不同电极的活化能
• 4.5 小结
• 第5章 Fe-Co-Ni-W 合金的制备及析氢性能研究
• 5.1 初探实验
• 5.1.1 实验
• 5.1.2 实验结果
• 5.2 正交实验
• 5.3 电沉积工艺参数对Fe-Co-Ni-W 合金电极析氢性能的影响
• 5.3.1 硫酸钴浓度的影响
• 5.3.2 钨酸钠浓度的影响
• 5.3.3 硼酸浓度的影响
• 5.3.4 柠檬酸钠浓度的影响
• 5.3.5 电流密度的影响
• 5.3.6 温度的影响
• 5.3.7 制备Fe-Co-Ni-W 合金电极的最佳工艺参数
• 5.4 合金电极的形貌、组成成分分析
• 5.5 电化学性能研究
• 5.5.1 不同电极在碱性介质中的析氢催化性能
• 5.5.2 不同电极的交流阻抗分析
• 5.5.3 不同合金电极活化能
• 5.6 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