發(fā)布時間：2021-03-30 03:09

　　氫能作為一種清潔可再生能源,由于具有來源廣、易存儲等突出優(yōu)點而受到廣泛的關(guān)注。在已成熟的制氫技術(shù)中,電解水制氫被視為最具有前景的技術(shù)之一。而目前析氫催化材料存在著催化效率低,析氫過電位高等缺點,因此為了降低能耗,研究高催化活性且優(yōu)異穩(wěn)定性能的陰極材料迫在眉睫。提高析氫材料的催化性能主要從能量和幾何兩個因素考慮。鎳基合金具備穩(wěn)定性好和來源廣泛等優(yōu)點,其中Ni-Co合金因為其具有合適的氫吸附能而成為了研究熱點。多孔電極具有比表面積大的優(yōu)勢,在其上進(jìn)行微納米材料的修飾能夠進(jìn)一步提高析氫電極的活性。本論文采用電沉積的方法在多孔基底上制備微納米Ni-Co合金形成Ni-Co/多孔基復(fù)合電極,通過SEM、TEM、XRD、XPS等手段對試樣進(jìn)行表征,并研究和比較了不同試樣之間在1M KOH溶液中的催化析氫性能和穩(wěn)定性。主要研究內(nèi)容和進(jìn)展如下:1、采用氫氣模板法制備多孔Ni和多孔Co,研究了電沉積電流密度、電沉積時間和鍍液中NH₄⁺濃度對多孔金屬的孔密度和孔徑變化的影響,獲得最佳工藝參數(shù)為:NH₄Cl濃度2 mol/L,250 A/dm<... 

【文章來源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：93 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

工業(yè)上制氫的三種方式[7]

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文-5-部分的電壓即為水分解所需的過電勢（或過電位，η）。水分解的過電勢主要用來克服位于陽極（ηa）與陰極（ηc）上的固有活化勢壘，以及一些如接觸電阻和溶液電阻等的電阻（ηother）。因此，可以用式1-8來描述水分解的實際所需電壓（E）[10]:caotherE1.23V(1-8)從上式中可以看出，采取合適的方式減少水分解反應(yīng)所需要的過電勢是電解水的核心問題。通常而言，ηother可以采用優(yōu)化電解槽設(shè)計的方式來降低，但是目前電解槽的設(shè)計已經(jīng)達(dá)到一個理想的狀態(tài)，那么為了降低過電勢，制備高性能的催化劑來降低ηa和ηc顯得至關(guān)重要。因此，迫切需要開發(fā)高活性有效的水分解催化劑來降低水分解過電勢。此外，電解水的過程中還會產(chǎn)生泡沫效應(yīng)，即在電解水的過程中，陰極和陽極上會析出大量的氣泡，當(dāng)這些氣泡無法馬上離開電極表面而發(fā)生聚集時，將導(dǎo)致催化劑的有效催化面積的降低，進(jìn)而導(dǎo)致電解水的過電勢增加的現(xiàn)象。圖1-2電解槽組成[7]Fig.1-2Schematicdiagramofanelectrolyzer1.3.1析氫反應(yīng)的催化原理催化析氫反應(yīng)（HER）可以基于Volmer-Heyrovsky或Volmer-Tafel機(jī)制發(fā)生，但是在酸性和堿性介質(zhì)中水分解發(fā)生的反應(yīng)不同。在酸性溶液中，HER按照以下步驟進(jìn)行[11]：（1）催化劑表面上質(zhì)子和電子的結(jié)合，產(chǎn)生吸附的氫原子：M+H++e→MHads（Volmer反應(yīng)）(1-9)（2）吸附的氫原子與質(zhì)子和電子結(jié)合產(chǎn)生氫分子：

第一章緒論-8-圖1-3析氫起始電位的計算方法[17]Fig.1-3Thecalculationofonsetpotential.(2)Tafel斜率Tafel曲線的斜率反映了穩(wěn)態(tài)電流密度（j）和過電勢（η）之間的關(guān)聯(lián)。通常，過電位(η)與電流密度(j)符合對數(shù)關(guān)系，即塔菲爾圖的線性部分可以用Tafel方程進(jìn)行擬合[18]：ablogj(1-16)上式中，b為Tafel斜率。根據(jù)塔菲爾方程，可以推導(dǎo)出兩個關(guān)鍵參數(shù)：Tafel斜率(b)和自交換電流密度(j0)。方程中的b一般與電極反應(yīng)的催化機(jī)理有關(guān)，根據(jù)b的值可以判斷反應(yīng)的速控步驟為Volmer反應(yīng)、Heyrovsky反應(yīng)或者是Tafel反應(yīng)，以及反應(yīng)的機(jī)理是Volmer-Heyrovsky還是Volmer-Tafel機(jī)理。j0描述的是在平衡條件下電極材料的固有催化活性，指的是假設(shè)過電勢η為0時所獲得的電流密度。因此，我們期望獲得具有高j0和低Tafel斜率(b)的催化材料。(3)穩(wěn)定性HER催化劑是否具備良好的結(jié)構(gòu)和催化穩(wěn)定性是評估催化析氫材料性能的另一個重要的指標(biāo)，特別是析氫催化材料在pH極值（pH為0或14）的強(qiáng)還原環(huán)境中的催化表現(xiàn)。測量析氫催化劑的穩(wěn)定性的方法通常有兩種。一種方式為采用計時電位法，即在某一個恒定的電流密度下，測量析氫反應(yīng)電位隨時間的變化曲線（V-t曲線）。采用這種測量方法時，電流密度通常設(shè)置的較大（大于100mAcm-2），且測試時間較長（>10h）。另一種方法是通過CV或LSV進(jìn)行循環(huán)實驗測試且通常循環(huán)次數(shù)應(yīng)大于5000次，才能體現(xiàn)出來材料是否具備良好的穩(wěn)定性。一般的，我們期望催化劑能夠在長時間里都能保持其良好的催化的活性。


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