人類社會的發(fā)展對新能源的需求越來越大。氫能是一種高效、清潔的能源,電解水制氫是最佳的選擇之一。電解水制氫的主要問題是能耗過大。降低析氫過程的過電勢,亟待開發(fā)高性能非貴金屬的析氫催化劑。本論文分別采用常規(guī)的電沉積方法和基于雙極電化學原理的梯度電沉積方法,制備不同原子比的銅鎳合金(NixCuy),研究合金組成與析氫催化性能的關系。通過恒電流沉積技術在銅基底上制備組成和形態(tài)可調(diào)的NixCuy納米合金,以研究合金組成和電催化活性之間的關系。實驗表明,NixCuy納米合金的組成和形貌可以是由所施加的電流密度大小控制。隨著電流密度從10增加到100 mAcm-2,合金中原子比Ni:Cu從1:9變化到3:1。通過在1.0M H2SO4和1.0MKOH中的析氫反應(HER)來評價這些納米合金之間電催化活性的差異。合金的催化活性與組成之間有著高度依賴性,而且這種依賴性在1.0 M H2SO4溶液中比在1.0 M KOH溶液更加明顯。通過調(diào)整NixCuy合金的原子比例,在1.0 M H2SO4溶液和1.0 M KOH溶液中分別實現(xiàn)了析氫反應交換電流密度i0的13.5和5.7倍的增加。同時,在相同的兩種介質(zhì)中觀察到電荷轉(zhuǎn)移電阻分別降低了 4.5和2.0倍。當納米NixCuy合金中原子比Ni:Cu=1:1時,對析氫反應的催化效果最佳,這時納米Ni1Cu1合金由四級樹枝狀納米鏈組成。實驗結(jié)果證明,恒電流方法不僅可以調(diào)整納米合金的組成,而且可以調(diào)整納米合金的形貌,這兩者對于工業(yè)電催化劑的納米尺度的設計起著重要作用。使用雙極電沉積在銅基底上成功制備出了梯度NixCuy合金,該技術基于雙極電極(BPE)和電解溶液的界面之間的電勢梯度。界面電勢梯度使得Ni和Cu的電沉積速率沿著BPE的長度變化,從而得以制備出組成具有梯度的合金。使用掃描電子顯微鏡(SEM)表征電沉積物的表面形態(tài),并且使用能量色散X射線光譜(EDX)確定合金的化學組成。隨著電勢差值的降低,Cu原子的百分比由33提升到99。通過調(diào)控NixCuy合金中原子比,在1.0MH2SO4溶液中實現(xiàn)了交換電流密度i0值18.3倍增加,電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct值6.3倍降低。通過SEM可以看出等原子比的NiCu合金也是樹枝狀納米鏈組成,證明采用雙極電化學方法控制電勢差值,也能調(diào)整納米合金的組成和納米合金的形態(tài)。綜上所述,具有等原子比的NiCu合金是催化活性良好的析氫催化劑,其催化活性能主要歸因于材料的固有性質(zhì)。使用雙極電化學方法能夠高效制備系列組成的梯度合金,是一種具有良好發(fā)展前途的快速篩選高效催化劑的方法。
【學位單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：O643.36;TQ116.2
【文章目錄】：
致謝
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 引言
    1.2 電化學析氫概述
        1.2.1 析氫反應平衡電勢的計算
        1.2.2 析氫過電勢的計算
        1.2.3 析氫極化曲線動力學參數(shù)
    1.3 非貴金屬和合金金屬在電解析氫中的應用
        1.3.1 鐵基電極材料
        1.3.2 鎳基電極材料
    1.4 雙極電化學概述
        1.4.1 雙極電化學的基本原理
        1.4.2 驅(qū)動電極和BPE之間的關系
        1.4.3 雙極電化學的特異性
        1.4.4 電場和電流路徑
    1.5 雙極電化學的應用
        1.5.1 材料制備
        1.5.2 感應和篩選應用
        1.5.3 雙極電極富集
        1.5.4 雙極電化學移動物體
    1.6 本選題的目的、意義及研究思路
        1.6.1 選題目的
        1.6.2 選題意義
        1.6.3 研究思路
第二章 恒電流法制備鎳銅合金及析氫性能研究
    2.1 引言
    2.2 實驗部分
        2.2.1 試劑與儀器
        2.2.2 溶液配置
        2.2.3 三電極體系
        2.2.4 合金電沉積及其形貌表征
        2.2.5 合金電極的析氫測試
    2.3 結(jié)果與討論
        2.3.1 沉積合金粒子的形貌表征
        2.3.2 析氫極化曲線
        2.3.3 交流阻抗以及數(shù)據(jù)處理及分析
        2.3.4 穩(wěn)定性測試
    2.4 本章小結(jié)
第三章 雙極電化學法制備梯度鎳銅合金及析氫性能研究
    3.1 引言
    3.2 實驗部分
        3.2.1 試劑與儀器
        3.2.2 雙極電極沉積電解槽的設計與制作
        3.2.3 鎳銅梯度合金沉積
        3.2.4 合金電極的析氫測試
    3.3 結(jié)果與討論
        3.3.1 不同濃度下的陰極極化曲線
        3.3.2 不同驅(qū)動電勢下的陰極極化曲線
        3.3.3 沉積液中不同鎳銅離子比例下的陰極極化曲線
        3.3.4 不同沉積時間下的陰極極化曲線
        3.3.5 析氫極化曲線的理論計算
        3.3.6 交流阻抗測試
        3.3.7 電極穩(wěn)定性測試
    3.4 本章小結(jié)
第四章 雙極電化學法制備梯度鎳銅合金的改進
    4.1 引言
    4.2 實驗部分
        4.2.1 試劑與儀器
        4.2.2 雙極電極沉積電解槽的改進與制作
        4.2.3 鎳銅梯度合金沉積
        4.2.4 合金電極的析氫測試
    4.3 結(jié)果與討論
        4.3.1 驅(qū)動電勢對雙極電沉積的影響
        4.3.2 沉積時間對雙極電沉積的影響
        4.3.3 溶液濃度對雙極電沉積的影響
        4.3.4 電極位置對雙極電沉積的影響
        4.3.5 析氫極化曲線的理論計算
        4.3.6 交流阻抗測試
        4.3.7 穩(wěn)定性測試
        4.3.8 沉積合金粒子的形貌表征
    4.4 本章小結(jié)
第五章 全文總結(jié)
參考文獻
攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文

【參考文獻】

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本文編號：2872272