钴铁合金电极和镍集流体的多孔化处理及电解水性能研究

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随着时代发展,人类对清洁能源的需求越来越高,电催化分解水制氢是目前储能领域的研究热点。析氧反应(Oxygen Evolution Reaction,OER)和析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction,HER)作为水分解的四个半反应,存在着动力学惰性,电催化过电位较高,化学键的分解需要大量的能量等问题,是水分解制氢的关键影响因素。因此,发展高效、廉价OER和HER催化电极是电解水制氢领域中的一个重要研究方向。目前,众多关于电催化水分解的研究都把关注点放在对催化剂的优化上,而忽略了集流体微结构对电极催化水分解的影响。本论文首先通过简单的一次氧化-还原处理,利用金属的膨胀和收缩机制,实现了商业化Co-Fe合金高效多孔化。系统的研究氧化和还原温度及时间对Co-Fe合金微纳米多孔化结构的调控作用。通过优化制备参数,最终制备出了高效的微纳米多孔Co-Fe水分解电极。多孔化的处理极大提高了电极催化过程中的比表面积,研究表明微纳米多孔Co-Fe的双电层电容和未处理的Co-Fe合金相比有着几倍到几十倍的提高。以微纳米多孔Co-Fe合金作为OER电极时,在10 m A cm-2电流密度处的过电位为287.3 m V比未处理的Co-Fe合金的365.3m V下降了78 m V(21%);同时,微纳米多孔Co-Fe合金作为HER电极在10 m A cm-2电流密度处的过电位为224.7 m V比未处理的Co-Fe合金的377.4 m V下降了152.7 m V(40%)。本文通过高温氧化-还原法对商业泡沫镍(Nickel Foam,NF)集流体进行微结构改性,在高温氧化还原后,镍集流体的韧带表面和内部出现大量的微纳米多孔结构,形成了微纳米多孔泡沫镍(Micro/nano Porous Nickel Foam,MPNF)。这些孔结构能够大幅度的提升集流体的比表面积,进而提高集流体和活性物质的接触面积,减小了复合电极的过电位,显著地提高复合电极的催化性能。之后通过电化学沉积的方法将δ-Mn O2和β-Co(OH)2分别制备在镍集流体的表面,构筑出OER复合电极。研究表明,多孔化处理后以泡沫镍为集流体的两种复合电极表现出了更好的OER催化性能,其中MPNF/δ-Mn O2在10 m A cm-2电流密度处的过电位为363.5 m V比NF/δ-Mn O2的429.9 m V下降了66.4 m V(15%);MPNF/β-Co(OH)2在10 m A cm-2电流密度处的过电位为274.6 m V比NF/β-Co(OH)2的322.3 m V下降了47.7 m V(15%)。更为重要的是,因为多孔化结构增强了活性物质和集流体之间的附着力,复合电极的稳定性也得到了显著地提升。
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