納米多級孔鎳合金復合電極的制備及電催化析氫性能研究.pdf

1、氫能是一種可再生的清潔能源，具有資源豐富、易儲存等許多突出的優點。隨著化石燃料的枯竭及環境問題的日益嚴重，氫能越來越受到人們的重視。電解水是大規模制氫的重要途徑，為了降低陰極過電位以節約能耗，研究低析氫過電位、高催化活性的陰極材料具有重要的意義。影響析氫材料催化活性的因素主要有能量因素和幾何因素。因此，制備高催化活性的析氫陰極材料，主要通過兩種方式實現:一是尋找高催化活性的新型催化材料，提高電極本身的電化學活性;二是提高電極的真實比表面

2、積，即增大電極的表面粗糙度，使電解過程中電極表面的真實電流密度降低，達到降低析氫過電位的目的。本論文采用電沉積法制備納米多級孔鎳合金復合電極，利用SEM、EDS、TEM以及XRD對合金電極的表面進行了表征，并比較了不同復合電極在質量分數為25％ KOH溶液中的電催化析氫性能，為實現低能耗、高效率電解水制氫提供技術支持和理論支持，論文的主要研究內容如下:
　　1、探討了在檸檬酸體系中主要組份及工藝參數對電沉積Ni-W合金的成分和表面

3、質量的影響，得出電沉積Ni-W合金的最佳配方和工藝參數，獲得Ni的質量分數為74.22％，W的質量分數為25.78％的光亮Ni-W合金鍍層。分別以納米二氧化硅微球、納米聚苯乙烯微球以及氫氣泡為模板，采用無機模板移除電沉積法，有機模板移除電沉積法以及氣泡模板法制備了多孔Ni-W合金電極，結果表明:采用無機模板移除電沉積法和有機模板移除電沉積法制備多孔Ni-W合金電極，雖然方法可行，但作為析氫電極用于電解水制氫，該電極的效果不佳;采用氣泡模

4、板法制備多孔Ni-W合金電極時，發現在高的陰極電流密度下，雖然可以獲得多孔結構的鍍層，但是不易獲得多孔Ni-W合金電極。
　　2、探討了在檸檬酸體系中主要組份及工藝參數對電沉積Ni-Mo合金的成分、表面形貌以及電催化析氫活性的影響，得出電沉積Ni-Mo合金的最佳配方和工藝參數，獲得Ni的質量分數為64.49％，Mo的質量分數為35.51％的光亮Ni-Mo合金鍍層。采用溶膠凝膠-表面活性劑法制備出平均粒徑為510nm的二氧化鈦顆粒，

5、采用原位合成法成功地制備出直徑為200-500nm，比表面積達573m2/g，孔體積為1.19cm3/g，介孔孔徑為3.2nm的納米多級孔Ti-SiO2顆粒，采用同樣的方法成功地制備出直徑為200-800nm，比表面積達396m2/g，孔體積為1.37cm3/g，介孔孔徑在3.3nm的納米多級孔Al-SiO2顆粒。分別以納米TiO2顆粒，納米多級孔Ti-SiO2顆粒和納米多級孔Al-SiO2顆粒作為復合粒子，制備出Ni-Mo復合電極，通

6、過析氫極化曲線比較每種復合粒子濃度對復合電極電催化析氫活性的影響，結果表明:鍍液中納米TiO2、納米多級孔Ti-SiO2和納米多級孔Al-SiO2的濃度分別為4g/L，2g/L和2g/L時，復合電極的電催化析氫活性達到最佳值。在最佳復合粒子濃度的條件下，比較三種復合粒子對復合電極電催化析氫活性的影響，結果表明:三種Ni-Mo合金復合電極的電催化析氫活性比Ni-Mo合金電極都要好，其中納米多級孔Ti-SiO2/Ni-Mo復合電極電催化析氫

7、活性最好，納米多級孔Al-SiO2/Ni-Mo復合電極次之，納米TiO2/Ni-Mo復合電極最差。
　　3、探討了在檸檬酸體系中主要組份及工藝參數對電沉積Ni-Co合金的成分和電催化析氫活性的影響，得出電沉積Ni-Co合金的最佳配方和工藝參數，得到Ni的質量分數為62.25％，Co的質量分數為37.75％的Ni-Co合金鍍層。采用模板溶解法制備出尺寸大約為70 nm，球殼厚度為10 nm左右，且空心球內外壁呈現多級孔結構，比表面積

8、達896 m2/g，孔體積達1.30 cm3/g的空心納米多級孔硅氫化合物顆粒，利用硅氫鍵的還原性，成功地在納米多級孔硅氫化合物上負載貴金屬Pd，通過TEM圖表征發現:Pd納米顆粒分布在納米多級孔硅氫化合物顆粒的內部和表面上，內部Pd納米顆粒的粒徑大約為3 nm，表面上Pd納米顆粒的粒徑為10-30 nm左右，且沒有破壞其內部的空心結構，得到納米多級孔Pd-SiO2顆粒，以該納米多級孔顆粒為復合粒子，制備出納米多級孔Pd-SiO2/Ni

9、-Co復合電極，通過對Ni-Co合金電極和納米多級孔Pd-SiO2/Ni-Co復合電極的電催化析氫性能進行研究，結果表明:Ni-Co合金的電催化析氫活性比純鎳要好得多，并隨著合金鍍層中Co含量的增加，電極電催化析氫活性不斷增強，當鍍液中納米多級孔Pd-SiO2顆粒濃度為1.8g/L時，納米多級孔Pd-SiO2/Ni-Co復合電極的電催化析氫活性最好。通過TEM圖表征發現:Pd納米顆粒分布在納米多級孔硅氫化合物顆粒的內部和表面上，內部Pd

10、納米顆粒的粒徑大約為3nm，表面上Pd納米顆粒的粒徑為10-30nm左右，且沒有破壞其內部的空心結構，得到納米多級孔Pd-SiO2顆粒，以該納米多級孔顆粒為復合粒子，制備出納米多級孔Pd-SiO2/Ni-Co復合電極，通過對Ni-Co合金電極和納米多級孔Pd-SiO2/Ni-Co復合電極的電催化析氫性能進行研究，結果表明:Ni-Co合金的電催化析氫活性比純鎳要好得多，并隨著合金鍍層中Co含量的增加，電極電催化析氫活性不斷增強，當鍍液中納

11、米多級孔Pd-SiO2顆粒濃度為1.8g/L時，納米多級孔Pd-SiO2/Ni-Co復合電極的電催化析氫活性最好。
　　4、系統探討了各種工藝參數對電沉積Ni-Mo-Co合金的成分和電催化析氫活性的影響，確定出在檸檬酸體系中電沉積Ni-Mo-Co合金的最佳配方和工藝參數，得到Ni的質量分數為35.10％，Mo的質量分數為50.15％，Co的質量分數為14.75％的光亮Ni-Mo-Co合金鍍層。通過對不同組分的Ni-Mo-Co合金電

12、極的電催化析氫性能進行比較，結果表明:隨著合金鍍層中Mo和Co含量的增加，合金電極的電催化析氫活性逐漸增大;通過比較納米多級孔Pd-SiO2/Ni-Mo-Co復合電極、納米多級孔Ti-SiO2/Ni-Mo-Co復合電極以及Ni-Mo-Co合金電極的電催化活性，結果表明:納米多級孔Ni-Mo-Co復合電極的電催化析氫性能比Ni-Mo-Co合金電極要好，且納米多級孔Pd-SiO2/Ni-Mo-Co復合電極的電催化析氫活性比納米多級孔Ti-S