泡沫Ni-Mo-Fe電極的制備及其析氫性能研究.pdf

1、氫能是一種資源豐富、可再生、可儲存、清潔的能源，從而受到了世界上很多國家的廣泛關(guān)注。電解法制氫是真正工業(yè)化制氫的重要途徑。但由于電解過程中陰極析氫過電位的存在使耗能較大，為了降低能耗，開發(fā)成本較低且具有較高催化活性的陰極電極材料具有重要的意義。本文通過電沉積法制備了Ni-Mo-Fe合金和Ni-Mo-Fe-La合金，研究了合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％KOH溶液中的析氫催化性能，并探究了合金的電沉積工藝參數(shù)對對合金析氫性能的影響，采用XRD、SE

2、M、EDX對電極進行了表征。
　　采用電沉積法在泡沫鎳基體上制備了Ni-Mo-Fe合金電極，通過正交和單因素試驗確定了制備Ni-Mo-Fe合金電極的最佳電沉積工藝條件。最佳電沉積條件為:Na3Cit·2H2O120g·L-1,NiSO4·6H2O70g·L-1,Na2MoO4·2H2O25g·L-1,FeSO4·7H2O16g·L-1，C6H12O6·H2O3g·L-1，C6H11NaO3g·L-1，C6H8O61g·L-1，電流

3、密度40mA·cm-2，NaCl10g·L-1，1，4-丁炔二醇0.1g·L-1，糖精1g·L-1，溫度40℃，時間30min，NH3·H2O100ml·L-1，中速攪拌。應(yīng)用穩(wěn)態(tài)極化曲線法比較了泡沫Ni、Ni-Mo、Ni-Mo-Fe合金電極在30％KOH溶液中的析氫行為，在80℃、30％KOH溶液中在200mA·cm-2電流密度下，泡沫Ni電極的析氫過電位為495mA·cm-2，Tafel斜率b=0.093V，交換電流密度i0是0.8

4、×10-5A·cm-2，表觀活化能為79.22kJ·mol-1，Ni-Mo合金電極的析氫過電位為195mV，Tafel斜率b=0.209V，交換電流密度i0是1.1×10-3A·cm-2，表觀活化能為57.75kJ·mol-1，Ni-Mo-Fe合金電極的析氫過電位為145mV，Tafel斜b=0.166V，交換電流密度i0是8.2×10-3A·cm-2，表觀活化能為30.41kJ·mol-1。測試表明Ni-Mo-Fe合金比泡沫Ni、Ni

5、-Mo合金具有更好的析氫催化活性。應(yīng)用交流阻抗譜圖法測得泡沫Ni、Ni-Mo、Ni-Mo-Fe這三種電極在開路電位下的析氫反應(yīng)為混合控制過程，即電化學(xué)控制和擴散控制過程。SEM、EDS結(jié)果表明，Ni-Mo鍍層表面呈胞狀結(jié)構(gòu)，胞狀結(jié)構(gòu)里的顆粒比較大，表面粗糙不平整。XRD結(jié)果表明這兩種合金均是晶態(tài)結(jié)構(gòu)，根據(jù)Scherrer公式計算出Ni-Mo鍍層的晶粒尺寸為37.56nm，原子組成是Ni82.1Mo17.9，而Ni-Mo-Fe合金電極表面

6、顆粒更加緊湊，顆粒變小，出現(xiàn)了細(xì)小的“溝壑”，Ni-Mo-Fe合金鍍層的晶粒尺寸為28.76nm，原子組成是Ni70.1Mo20.2Fe9.7。
　　在制備Ni-Mo-Fe合金的鍍液中，加入氯化鑭制備了Ni-Mo-Fe-La合金電極。研究了氯化鑭、硫酸鎳、鉬酸鈉以及硫酸亞鐵濃度、電流密度以及電沉積時間的變化對電極析氫性能的影響，最終確定電沉積Ni-Mo-Fe-La合金電極最佳電沉積條件為:Na3Cit·2H2O120g·L-1,N

7、iSO4·6H2O70g·L-1,Na2MoO4·2H2O25g·L-1,FeSO4·7H2O16g·L-1,LaCl3·7H2O1g·L-1,C6H12O6·H2O3g·L-1,C6H11NaO3g·L-1,C6H8O61g·L-1，NaCl10g·L-1，1，4-丁炔二醇0.1g·L-1，糖精1g·L-1，電流密度40mA·cm-2，溫度40℃，時間30min、中速攪拌。應(yīng)用穩(wěn)態(tài)極化曲線法和交流阻抗譜圖法研究了泡沫Ni-Mo-Fe-

8、La合金電極在30％KOH溶液中的析氫行為，Ni-Mo-Fe-La合金電極在80℃、30％KOH溶液中在200mA·cm-2電流密度下的析氫過電位為110mV，比Ni-Mo-Fe合金低35mV，Tafel斜率b=0.105V，交換電流密度i0是5.9×10-2A·cm-2，表觀活化能為17.50kJ·mol-1。SEM和EDS結(jié)果表明，Ni-Mo-Fe-La鍍層表面的胞狀結(jié)構(gòu)消失，顆粒比Ni-Mo-Fe合金的更加細(xì)小，表面更加平整和致密

9、，進一步發(fā)現(xiàn)表面鍍層表面有小孔的存在。XRD測試結(jié)果表明，Ni-Mo-Fe-La合金呈晶態(tài)結(jié)構(gòu)，根據(jù)Scherrer公式計算出此合金鍍層的晶粒尺寸為22.34nm，合金的原子組成為Ni66.9Mo25.6Fe6.2La1.3。說明La的加入改變了合金的微觀結(jié)構(gòu)和鍍層的表面形貌，細(xì)化了晶粒，提高了鍍層的平整性和致密性，增大了鍍層的表面積，提高了鍍層中的Mo含量，最終提高電極析氫電催化活性，提高了電極的使用壽命和穩(wěn)定性。與泡沫Ni、Ni-M