本文關(guān)鍵詞：Ni-Cr-Fe多孔材料的制備與性能研究

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【摘要】：當(dāng)前隨著世界工業(yè)的飛速發(fā)展,能源消耗快導(dǎo)致資源短缺及環(huán)境污染等問題日趨嚴重,多孔材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用對于提高工業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、保障環(huán)境友好和資源的重復(fù)利用有著重大意義。而Ni基多孔材料因具有低密度、較高的強度、重量輕等特點,在航天、航空、能源等領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛而受到各界的關(guān)注。因此,對Ni基多孔材料的研究勢在必行。本文采用元素粉末反應(yīng)合成法,利用固相偏擴散的原理進行固相燒結(jié)制備Ni-Cr-Fe多孔材料。通過表征多孔材料在不同燒結(jié)溫度下的膨脹率、孔結(jié)構(gòu)變化及物相組成研究材料的成孔過程,探討造孔機理。研究表明其造孔機理為:利用Cr、Fe原子的偏擴散固溶到基體Ni中形成(Ni,Cr,Fe)固溶體,因此可形成無限替代式固溶體,在燒結(jié)過程中Fe原子會率先大量的固溶到Ni中,形成(Ni,Fe)固溶體,當(dāng)溫度達到1100℃的時候已反應(yīng)完全,沒有Fe單質(zhì)存在,隨后部分Cr原子進一步固溶到(Ni,Fe)固溶體中,形成(Ni,Cr,Fe)固溶體,一直到1380℃反應(yīng)完成。最終Cr、Fe原子與Ni完全固溶形成均勻的固溶體。根據(jù)孔隙形成速率的不同,可將Ni-Cr-Fe多孔材料孔隙的形成分為兩個主要時期:在800℃以下時屬于孔隙逐步形成期,開孔隙率在這一時期內(nèi)達到20%;燒結(jié)溫度在940℃到1380℃之間屬于孔隙急劇增長期,開孔隙率達到32.5%,之后隨著溫度的升高,開孔隙率變化不大。其最大孔徑與透氣度的變化趨勢和開孔隙率的變化一致,達到最終燒結(jié)溫度時,Ni-Cr-Fe多孔材料的平均孔徑為90μm,透氣度高達990m3m-2KP-1h-1。闡述了Ni-Cr-Fe多孔材料在600℃、800℃、1000℃空氣中的氧化行為及其氧化機理。采用SEM、XRD及孔徑測試儀表征氧化前后材料表面形貌及物相的變化。結(jié)果表明:在600℃、800℃及1000℃三個氧化溫度下,多孔材料的氧化規(guī)律均呈拋物線規(guī)律;Ni-Cr-Fe多孔材料在600℃及800℃下的氧化產(chǎn)物為NiFe2O4、NiCr2O4、NiO、(Ni,Cr,Fe);而在1000℃下氧化后的最終產(chǎn)物為NiFe2O4、NiCr2O4、NiO。在1000℃下氧化560h后Ni-Cr-Fe多孔材料的孔結(jié)構(gòu)變化很小,表面依然存在豐富的孔隙;Ni-Cr-Fe的氧化產(chǎn)物呈細小顆粒并緊密附著于基體,從而阻止了氧化的進一步發(fā)生,呈現(xiàn)出優(yōu)異的抗高溫氧化性能。通過采用循環(huán)伏安法、陰極極化以及交流阻抗譜研究了多孔Ni-Cr-Fe材料的電催化性能及其析氫穩(wěn)定性能。通過在6mol/L KOH的堿性溶液中測量其電化學(xué)穩(wěn)態(tài)極化來確定體系的動力學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明,多孔Ni-Cr-Fe陰極材料在6mol/L KOH中具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。在高溫條件下其Tafel斜率為-130mVdec-1,由此可知電解析氫的反應(yīng)控制步驟為電化學(xué)步驟。室溫下的交換電流密度為7x10-4A/cm-2,通過Arrhenius曲線圖計算得出析氫激活能約為21KJ/mol。由此表明Ni-Cr-Fe多孔電極的催化活性不僅來自于真實表面積的增大,同時來自于元素間的協(xié)同作用。在-1.5V的過電位下析氫8h后,電流密度波動很小,多孔Ni-Cr-Fe電極的表面形態(tài)和孔隙結(jié)構(gòu)經(jīng)長時間電解后依舊沒有變化,表明其具有優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：多孔材料 反應(yīng)合成法 氧化行為 電解析氫
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.15
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-21
• 1.1 多孔材料簡介10-15
• 1.1.1 多孔材料的分類及特征11
• 1.1.2 多孔材料的特征11-12
• 1.1.3 多孔材料的制備方法12-13
• 1.1.4 多孔材料的應(yīng)用13-15
• 1.2 Ni-Cr-Fe多孔材料的發(fā)展現(xiàn)狀15-19
• 1.2.0 Ni基多孔材料的發(fā)展現(xiàn)狀15
• 1.2.1 Ni-Cr-Fe多孔材料的基本特征15-16
• 1.2.2 Ni-Cr-Fe多孔材料的制備16-17
• 1.2.3 Ni-Cr-Fe多孔材料的抗高溫氧化性能17-19
• 1.2.4 Ni-Cr-Fe多孔材料的催化性能19
• 1.3 本文研究目的與主要內(nèi)容19-21
• 第二章 實驗方法與設(shè)備21-27
• 2.1 實驗流程21-23
• 2.1.1 實驗設(shè)備21-22
• 2.1.2 原料選取22
• 2.1.3 原料混合22-23
• 2.1.4 壓制成型23
• 2.1.5 燒結(jié)工藝23
• 2.2 性能測試23-27
• 2.2.1 掃描電子顯微鏡術(shù)23
• 2.2.2 X射線衍射23-24
• 2.2.3 孔結(jié)構(gòu)測量24-26
• 2.2.4 Ni-Cr-Fe多孔材料的抗高溫氧化性能測試26
• 2.2.5 Ni-Cr-Fe多孔材料的電解析氫性能測試26-27
• 第三章 Ni-Cr-Fe多孔材料的制備27-35
• 3.1 前言27
• 3.2 Ni-Cr-Fe多孔材料的制備27-28
• 3.3 結(jié)果與討論28-34
• 3.3.1 多孔材料在燒結(jié)過程中的膨脹率及孔結(jié)構(gòu)28-29
• 3.3.2 多孔材料在燒結(jié)過程中的物相變化29-32
• 3.3.3 Ni-Cr-Fe多孔材料的造孔機理32-34
• 3.4 結(jié)論34-35
• 第四章 Ni-Cr-Fe多孔材料的抗高溫氧化性35-45
• 4.1 前言35
• 4.2 實驗過程35-36
• 4.3 結(jié)果分析與討論36-39
• 4.3.1 多孔Ni-Cr-Fe材料氧化前的微觀形貌及孔結(jié)構(gòu)36-37
• 4.3.2 Ni-Cr-Fe多孔材料的氧化動力學(xué)行為37-39
• 4.4 多孔材料氧化過程的孔結(jié)構(gòu)演變39-41
• 4.5 多孔材料氧化層的物相及表面形貌分析41-44
• 4.6 結(jié)論44-45
• 第五章 Ni-Cr-Fe多孔材料的電解析氫性能45-60
• 5.1 前言45
• 5.2 實驗過程45
• 5.3 Ni-Cr-Fe多孔電極的表征45-47
• 5.4 Ni-Cr-Fe多孔陰極材料的電催化活性47-55
• 5.5 多孔Ni-Cr-Fe電極材料的電化學(xué)穩(wěn)定性55-58
• 5.6 本章小結(jié)58-60
• 第六章 結(jié)論60-61
• 參考文獻61-67
• 致謝67-68
• 攻讀碩士期間參與課題及發(fā)表論文68

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本文編號：1038182