電沉積Ni-S合金析氫陰極材料及析氫機(jī)理的研究.pdf

1、電解水制氫是現(xiàn)有成熟制氫技術(shù)中最具應(yīng)用前景的一種。但目前使用的Fe電極和Raney-Ni電極由于其較高的析氫過電位導(dǎo)致制氫能耗偏高，因此，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用氫能，必須大幅降低析氫陰極的過電位。Ni-S及其多元合金電極因其較低的析氫過電位而成為制氫陰極的研究熱點(diǎn)。 本文通過在不同鎳基體上電沉積制備非晶態(tài)Ni-S和Ni-S型三元合金電極，并研究其晶體結(jié)構(gòu)和析氫性能，得到如下研究結(jié)果： 1、以鎳絲網(wǎng)為基體制備了Ni-S合金電

2、極。確定了最佳的電鍍液配方和工藝條件。對(duì)其析氫性能的研究表明：鍍層中S含量對(duì)電極的析氫性能影響較大，S含量范圍為15-19 wt％時(shí)，Ni-S合金電極具有很低的析氫電位。 2、選用泡沫鎳為基體制備了非晶態(tài)Ni-S型合金電極，泡沫鎳特殊的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使電極具有更大的真實(shí)表面積，析氫活性明顯提高，在模擬工業(yè)條件下電解24小時(shí)后，該電極比Raney-Ni電極的小室電壓分別降低0.17V(200mA cm-2)或0.26V(400niA

3、cm-2)，極大地降低了電解制氫能耗，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 3、在Ni-S合金鍍液中加入Co、La、Mo等過渡族金屬元素制得了Ni-S型三元合金電極，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：添加上述金屬離子均能提高泡沫鎳基非晶態(tài)Ni-S型合金電極的析氫活性，但只有Ni-S-Co和Ni-S(La)兩種三元合金電極具良好的析氫活性和電化學(xué)穩(wěn)定性，在電解水制氫工業(yè)中具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 4、采用梯度電沉積工藝制備出鍍層中S含量呈梯度分布的泡沫鎳基

4、Ni-S合金電極和S、Co含量呈梯度分布的Ni-S-Co合金電極，這種梯度分布形式有利于降低鍍層內(nèi)應(yīng)力、增加鍍層與基體的結(jié)合力，提高電極的壽命和穩(wěn)定性，是一種應(yīng)用前景良好的析氫陰極材料。 5、在Ni-S合金電沉積液中添加稀土氧化物Er203或Pr203的研究表明：鍍層的晶粒尺寸隨添加物濃度的增大而有所減小，這可能是Pr2O3或Er2O3顆粒在電極表面的吸附阻礙了晶核生長(zhǎng)，導(dǎo)致鍍層晶粒尺寸減小，表面積增大，Er203或Pr203的

5、加入有利于提高電極的析氫活性。 6、對(duì)Ni-S合金電極的鍍后處理工藝結(jié)果表明：液相熱活化處理可極大地提高電極的析氫活性，降低析氫電位；而氬氣熱處理使合金鍍層由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)結(jié)構(gòu)，析氫電位反而有所升高。 7、通過Tafel曲線計(jì)算出泡沫鎳電極、泡沫鎳基Ni-S合金電極和Ni-S-Co合金電極的表觀活化能分別為49.5 kJ mol-1、40.3 kJ mol-1和38.6 kJ mol-1，首次從能量角度上揭示了各合金電