泡沫析氢材料的制备及性能研究

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随着石油、煤炭等化石燃料日益消耗及燃烧化石能源带来的环境问题日益严重,各国都在大力发展水电、核能、太阳能、风能等清洁的新能源。但这些新能源最终转化为电能,电能存储较难,需要转化为其他可储存的形式,而电解水制氢很好的解决从新能源到可储存能源的问题。氢气能以气体、液体、固体的形式储存,且能像化石能源一样被燃烧,也可以做成燃料电池被利用。电解水制氢由于析氢电极过电位较高,导致电解效率较低。本文通过制备Ni-Mo-W、Ni-Mo-Co三元合金电极与Mo/Ni-Mo复合电极用来降低析氢过电位,研究了电极在30%KOH溶液中的析氢性能,采用XRD、SEM、EDS对电极的形貌、晶态、成分进行表征。采用电沉积的方法制备了Ni-Mo-W、Ni-Mo-Co三元合金。通过正交实验及单因素实验对电沉积制备的三元合金的析氢性能进行了研究,确定了最佳工艺。在最佳工艺参数下制备的Ni-Mo-W、Ni-Mo-Co合金进行研究,SEM观察表明W、Co的引入镀层表面变的光滑,Co的引入减少了镀层的裂纹;EDS元素分析结果表明, Ni-Mo-W合金组成为Ni82.3Mo16.9W0.78, Ni-Mo-Co合金组成为Ni87.6Mo5.2Co7.1。XRD测试结果表明,Ni-Mo-W、Ni-Mo-Co三元合金的晶粒较细;电化学性能测试表明Ni-Mo-W、Ni-Mo-Co的析氢活性略好于Ni-Mo二元合金,Ni-Mo-W、Ni-Mo-Co在电流密度为200mA cm-2时的析氢过电位η200分别为240mV、241mV,比Ni-Mo二元合金降低10mV左右。采用复合镀的方法制备了Mo/Ni-Mo复合电极,对此电极进行SEM、EIS及Tafel曲线测试。SEM观察表明,电极表面存在大量胞状突起,极大的提高了电极的表面积;EIS表明其反应阻抗为0.383Ω cm2,扩散阻抗为1.021Ω cm2,说明Mo/Ni-Mo复合电极扩散过程为反应的控制步骤;Tafel测试表明Mo/Ni-Mo复合电极具有较高的析氢催化活性,其析氢过电位η200为202mV,比Ni-Mo合金电极降低50mV。应用电化学测试方法对泡沫镍、平板镍、Ni-Mo合金电极、Mo/Ni复合电极、Mo/Ni-Mo复合电极进行研究。通过对泡沫镍的开路电位的研究,可知电极表面能吸附氢分子及活泼氢原子,电极与氢分子的吸附键很弱,与活泼氢原子的吸附键较强。通过不同温度下对Mo/Ni复合电极的测试表明,电极表面吸附活泼氢原子的数量影响电极的析氢活性。
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