| 题名 | 多孔Ni、Ni-Mo合金及其氧化物的制备与析氢性能的研究 |
| 作者 | 李志洋 |
| 答辩日期 | 2018 |
| 导师 | 周琦 |
| 关键词 | 快速凝固 脱合金化 多孔Ni-Mo合金 Ni-Mo/RuO2复合电极 电催化析氢 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 英文摘要 | 随着当今化石燃料耗量增加、储量锐减,氢气作为一种新型高能量密度的清洁二次能源日益备受关注。氢气的制取方式各有不同,其中电解水制氢以其制取氢气纯度高且过程无污染的优势成为大规模制氢的首选。但电解水需要消耗巨额电能,为了提高能量转换效率,寻求析氢过电位低且稳定性高的电解池阴极材料成为问题解决的关键。大量实验研究结果表明Pt族过渡金属具有最低的析氢过电位,但储量稀少、价格昂贵,导致其不适于大规模运用于工商业生产。由此研发成本低廉且电催化析氢活性及稳定性高的电解池阴极材料作为替代具有重要意义,而成为近年来研究的热点。本文旨在探索以脱合金化的方法来获取特殊的纳米多孔结构电极材料,同时就该多孔材料中Mo的加入、Mo含量的不同以及复合Ru O2进行了研究和分析,以期制备高活性及稳定性的析氢催化电极。本文首先通过快速凝固结合脱合金化等方法制备了纳米多孔Ni、Ni-Mo合金及其氧化物阴极电极材料,通过XRD、SEM、TEM、BET等对电极的物相、形貌结构、孔径分布进行表征,并通过线性扫描伏安、Tafel斜率、交流阻抗、计时电位以及循环伏安等方法测试多孔电极的电催化析氢性能。结果显示,制备的电极材料在10 m A·cm-2的电流密度下Ni-Mo合金析氢活性突出,速度控制步骤为电化学反应-电化学脱附步骤,拥有0.25×10-3 A·cm-2的交换电流密度,经10000 s恒电流密度(100 m A·cm-2)电解后析氢过电位仅增加39 m V。这得益于Mo的加入使得脱合金化后获得了纳米多孔的非晶态结构,改善了电极本征催化活性的同时,多孔骨架细化进一步提高了电极比表面积,降低了析氢过电位并且获得了良好的稳定性。热处理则使其非晶结构向晶态转变,析氢性能变差。Mo含量的不同对纳米多孔Ni-Mo合金的物相以及脱合金化后的微观形貌、比表面积、以及结晶度都有重要影响,进而影响合金电极对析氢反应的催化作用。据此本文后续采用脱合金化方法制备了不同Mo含量的多孔Ni-Mo合金,实验分析表明,前驱体Ni-Mo-Al合金中Mo含量较高时含有Al和Al8Mo3相,Mo含量在中等水平时由Al和Al17Mo4相组成,Mo含量较低时由Al和Al3Ni相组成。随着Mo含量的增加,脱合金化后多孔结构的骨架逐渐细化,比表面结增加,结晶度下降。但Mo含量过高又导致多孔结构由于骨架过度细化而断裂坍塌堆积,比表面积下将。在50 m A·cm-2的电流密度下,析氢过电位随着Mo含量的增加呈现出先降低后升高的规律,由Ni2.5Mo2.5Al95前驱体制备的电极材料具有最低的析氢过电位和最大的交换电流密度,过电位为218 m V,交换电流密度为0.29×10-3 A·cm-2,析氢反应速度控制步骤为电化学反应-电化学脱附步骤,经1000圈循环伏安后的极化曲线基本保持原状,在50 m A·cm-2电流密度下过电位仅增加3.67%,表现出良好的析氢稳定性。后续采用脱合金化结合胶体聚沉的方法制备了Ni/Ru O2及Ni-Mo/Ru O2复合电极。分析结果显示三种电极中均存检测到Ru O2物相存在,Ru O2由于聚沉作用包覆在多孔骨架表面,Mo的加入使合金非晶化的同时促使多孔骨架尺寸细化,形成双连续的纳米多孔结构。Mo与Ru的加入以及Mo含量的增加均提高了电催化析氢性能,其中纳米多孔Ni2.5Mo2.5/Ru O2复合电极在1 mol·L-1 Na OH溶液中具有最低的析氢过电位。析氢过程受Volmer-Heyrovsky步骤控制,在50m A·cm-2电流密度下过电位为182 m V,交换电流密度为0.31×10-3 A·cm-2,经1000圈循环伏安后过电位仅上升2.75%,较Ni2.5Mo2.5电极电催化析氢性能均明显改善。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 74 |
| URL标识 | 查看原文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.lut.edu.cn/handle/2XXMBERH/93645]  |
| 专题 | 兰州理工大学 |
| 作者单位 | 兰州理工大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李志洋. 多孔Ni、Ni-Mo合金及其氧化物的制备与析氢性能的研究[D]. 2018. |
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