納米棒陣列電極的控制合成及其催化析氫性能研究.pdf

1、氫能源由于資源豐富、安全清潔、性能優(yōu)越，在未來(lái)極有可能替代化石燃料而受到人們的高度重視。氫氣可通過(guò)多種途徑制備，其中電解水制氫技術(shù)利用太陽(yáng)能等可再生能源，其工藝簡(jiǎn)單，無(wú)污染，是實(shí)現(xiàn)氫時(shí)代的最佳制氫方法。更重要的是，水和氫氣間的轉(zhuǎn)變可以實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)化。傳統(tǒng)的高性能析氫電極材料主要為鉑族貴金屬，但其儲(chǔ)量有限且價(jià)格昂貴，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。這就迫切需要研發(fā)價(jià)廉且豐富的材料來(lái)降低制氫技術(shù)的成本，以致將來(lái)實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)。此外，現(xiàn)有析氫催

2、化劑的制備方法大多存在工藝過(guò)程復(fù)雜、形貌難以控制、龜裂現(xiàn)象難以避免等問(wèn)題。因此，尋找簡(jiǎn)單清潔的新型制備方法，生產(chǎn)具有低成本、高催化活性和穩(wěn)定性的陰極析氫材料具有重要的研究意義和使用價(jià)值。
　?、俨捎煤?jiǎn)單可控的乙二醇調(diào)控水熱法以及后續(xù)熱處理，在泡沫Ni基底上原位生長(zhǎng)RuO2-NiO納米棒，制備出具有高催化活性和穩(wěn)定性的析氫電極。乙二醇與過(guò)渡金屬間較強(qiáng)的配位效應(yīng)使得其可以與RuCl3或NiCl2絡(luò)合形成金屬醇化物，并以此作為成核位點(diǎn)逐

3、漸組裝形成規(guī)整的納米棒陣列。SEM圖顯示RuO2-NiO納米棒陣列垂直生長(zhǎng)在Ni foam基底上，其長(zhǎng)度為1-2μm。電化學(xué)測(cè)試表明，RuO2-NiO電極顯示出優(yōu)越的析氫催化活性及穩(wěn)定性。RuO2-NiO/Ni foam電極的起始電位比Ni foam電極正移175mV，其活性比表面積是Ni foam電極的15倍，是NiO/Ni foam電極的23倍；RuO2-NiO/Ni foam電極的交換電流密度（j0）為2.24×10-3A cm-

4、2，比Ni foam和NiO/Ni foam電極高兩個(gè)數(shù)量級(jí)；在η=100mV時(shí)，RuO2-NiO/Ni foam電極的反應(yīng)電阻（Rct）為0.50Ω，顯著小于Ni foam（35.93Ω）和NiO/Ni foam（173.60Ω），說(shuō)明RuO2-NiO/Ni foam電極具有更優(yōu)的析氫催化活性。這種優(yōu)越的電化學(xué)性能來(lái)源于電極材料獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)。電極表面的氧化鎳/氫氧化鎳物種能有效促進(jìn)水分子的離解以及吸附氫原子的形成，隨后形成的吸附氫原

5、子在附近的釕物種上脫附并快速形成氫氣分子。這種直接在導(dǎo)電基底上水熱合成納米陣列材料的方法，為Ni-基析氫電極材料的制備及實(shí)際應(yīng)用提供了有效可行的新方法。
　?、诓捎酶咝Э煽氐拇趴貫R射技術(shù)，在泡沫Ni基底上制備Ni-Mo合金納米棒陣列析氫催化劑。Ni-Mo合金催化劑表現(xiàn)出非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，有利于吸附氫原子（Had）的電化學(xué)脫附；SEM表征顯示，電極表面由高度規(guī)整的納米顆粒組成，直徑約為50nm，SEM橫截面圖顯示電極表面是垂直于基底的納米

6、棒陣列結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度約為1μm。納米棒陣列結(jié)構(gòu)有利于氣泡從電極表面快速逃逸，減弱電解質(zhì)的擴(kuò)散阻力；Ni-Mo/Ni foam電極的活性比表面積是Ni/Ni foam電極的5倍，表明Mo元素可以顯著提高Ni電極的粗糙度，由此提高其催化活性；在η=60mV時(shí)，Ni-Mo/Ni foam電極的反應(yīng)電阻為1.59Ω，比Ni foam（65.86Ω）、Ni/Ni foam（13.03Ω）和Mo/Ni foam（22.89Ω）電極均小很多，說(shuō)明Ni-