PEM水电解池低成本阳极钛纤维毡扩散层研究

发布时间：2020-10-21 12:58

　　 采用浓盐酸刻蚀焙烧还原法将贵金属混合氧化物涂层制备在钛纤维毡表面,将此修饰后的钛纤维毡用做质子交换膜(PEM)水电解池的阳极扩散层。通过扫描电镜观察可知钛纤维毡纤维表面被微米级的沟槽与孔洞覆盖,且有贵金属氧化物晶粒生长。电化学表征表明该阳极扩散层具有良好的电解析氧反应(OER)催化活性,阳极贵金属用量仅2 mg/cm~2时,组装PEM电解池的性能达到1.841 V@2 000 mA/cm~2。对钛纤维毡的厚度及膜电极组件制备方法进行了优化。优化后的阳极扩散层具有良好的导电性、化学与机械稳定性及抗腐蚀性能,用于PEM电解池中可降低贵金属用量,实现低成本电解制氢。
【部分图文】：

人１８．２??ＭＯ．ｃｍ超纯水，电解池运行温度８（ＴＣ。使用可编程直流电源??进行测试，自制记录系统记录电压。??电化学阻抗谱测试：电解池持续通人１０?ｍＬ／ｍｉｎ的１８．２??ＭＯ？ｃｍ超纯水，电解池运行温度８０＂Ｃ使用工作站恒电压??１．４５?Ｖ进行测试，施加１０?ｍＶ波动电压，扰动频率１?Ｈｚ？１０??ｋＨｚ。??２结果与分析??２．１责金属氧化物涂层钛纤维毡表面形貌??经过扫描电子显微镜对各样品进行表征可知，经盐酸腐??蚀后钛纤维毡纤维表面被微米级的沟槽与孔洞覆盖［如图１??（ａ），图１（ｂ）所示］，提高了纤维表面粗糙度，为纤维与涂层提供??更多结合位点，提高涂层稳定性。在图１（ｃ）中，光滑钛纤维毡表??面仅生长有少许长度更短的晶粒。由图１（ｄ）？图１？可知，粗??糙表面为晶体生长提供了大量的成核位点，促进Ｍ）２和Ｒｕ０２??晶粒生长，在纤维表面形成纳米级晶簇。纳米晶簇提高了贵金??属氧化物的分散度，可以为电化学反应提供更多反应场所。此??外，随着涂层中Ｒｕ含量增加，涂层中晶粒长度逐渐提高，而晶??粒由直立状态转变为倾斜状态［图１（ｆ）］。Ｋｒｙｓａ等？研究发现经??酸刻蚀可将钛基底光滑表面刻蚀为粗糖表面，并在表面生长??纳米晶簇的贵金属混合氧化物涂层，相比光滑表面制备的涂??层具有更长的寿命。??（ａ）米经处的钛纤维毡：（ｂ＞较浓盐酸剡蚀－焙烧还拟后的钛ｎ？维毡；??（ｃ＞光泔农ｌｌｉｉ钛纤维链／ＩｉｖＲｕ？０，涂（ｔｌ嫩纤维??绯?ｉＳ／Ｉｒｖ．ＲＵｕＯ＾?Ｕ：?（ｆ）钛纤维?Ｋ／Ｉｒ？??图１?表面形貌??２０２０．７?Ｖｏｌ．４４?Ｎ〇．７??９３４??

２．２?ＸＲＤ图谱??由ＸＲＤ图谱（图２）可知，三个样品中均呈现明显的??Ｔｉ／Ｉｒ〇２／Ｒｕ０２衍射峰，不同Ｉｒ、Ｒｕ比例样品的衍射峰基本一致。??Ｉｒ０２、Ｒｕ０２Ｗ（１１０）、（１０１）、（２００）、（２１０）特征峰清晰明显，（２１１）、??（２２０）、（３１０）、（２２１）、（１１２）以组合峰的形式存在，证明］１〇２、１１１１〇２??晶体以四方晶相在涂层中存在。Ｓｉｌｖａ等［＾］通过对比不同烧结温??度制备得到的Ｗ）２粉末催化剂的稳定性，发现烧结温度为５００??＂Ｃ制得的四方晶相Ｍ）２稳定性更高。由图２说明该烧结温度??与多次烧结法可将贵金属氯化物氧化为稳定的氧化物晶体，??使涂层具有良好的稳定性。??图２?钛纤维毡／Ｉｒ０２－Ｒｕ０２涂层各样品的ＸＲＤ图谱??２．３电阻率测试??由图３可知，各贵金属氧化物涂层钦纤维毡与镀铂多孔??烧结钛板电阻率相近，得益于纤维表面的Ｍ）２、ＲＵ〇２薄层具有??良好的导电性。随着如０２含量提高，导电性有所提高，而考虑??到Ｒｕ０２稳定性较Ｉｒ０２差？，应严格控制涂层中Ｒｕ０２含量。??０．４?０．８?１．２?１．６?２．０??ｐｆＭＰａ??图３?键销多孔烧结钦板与责金属氧化物涂层钛纤维桂样品电阻率??２．４?ＯＥＲ性能测试??半电池测试经样品面积归一化处理后由图４所示。粉末??催化剂制备中Ｒｕ０２的活性较Ｉｒ０２高？，提高Ｒｕ０２的量可显??著提高ＯＥＲ催化活性，而将二者制备为涂层未显示出此规??５００?１０００?１５００?２?０００??Ｊ７（ｍＡ?■?ｃｍ－２）??⑷??４００?６００?８００??ＺＢｅ／（ｍＱ?？?ｃｍ３）??（ｂ）??０??０

专家特约??１．９??—ｒ—０．２Ｓ?ｎｍ?钛纤维毺?Ｉｉ＾Ｒｏ＾Ｏｊ??—？一０．４０?ｎｍ?钦纤维毯Ｉｒ＾Ｒｏ＾Ｏ，??一？一?０．６０?ｕｍ?钛纤维毯?ＩｒＭＲｎ？Ｏｙ??上以同样方法制备涂层。钛纤维毡厚度提高，比表面积随之大??幅提高，分别将表面贵金属氧化物载量提高到２、３?ｍｇ／ｃｍ２。测??试样品电阻率可知［图６（ａ）］，因样品较厚，０．４、０．６?ｍｍ贵金属??氧化物涂层钛纤维毡电阻率较０．２５?ｍｍ样品的电阻率高。??组装电解池的极化曲线与电化学阻抗谱如图６（ｂ）所示，??厚度提高导致钛纤维毡孔隙率下降，０．４?ｍｍ厚钛纤维毡孔隙??率约为６０％，０．６?ｍｍ厚钛纤维毡孔隙率约为５０％，气液传质??能力下降，组装电解池后性能较差。钛纤维毡厚度提高将提高??传质阻力。该实验中０．６?ｍｍ的钛纤维毡在电解池中性能??（１．８６５?Ｖ＠２?０００?ｍＡ／ｃｍ２）较０．４?ｍｍ厚钛纤维毡组装的电解池??更好（１．８８?Ｖ＠２?０００?ｍＡ／ｃｍ２），因钛纤维毡上涂敷的贵金属氧??化物总量高达３?ｍｇ／ｃｍ２，在５０?ｍＡ／ｃｍ２时电解电压仅１．４４５??Ｖ，说明阳极极化很小，ＯＥＲ催化活性更高。与厚度同为０．６??＿的镀铂多孔钛板相比，０．６?ｍｍ厚钛纤维毡性能更优，但表??面涂敷的贵金属总量高达３?ｍｇ／ｃｍ２，成本较高。在ＥＩＳ阻抗图??谱中，０．４?ｍｍ厚钛纤维毡组装的电解池阳极极化阻抗较高，与??极化曲线测试结果相符。??０?Ｓ００?１０００?１Ｓ００?２?０００??／／（ｍＡ?？?ｃｍ－２）??（ｂ）??图６?（ａ）不同厚度钛纤维毡组装电解池的电阻率；（ｂ）不同厚度??钛纤维毡组装电
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本文编号：2850143