超重力电沉积制备镍基复合析氢电极材料

发布时间：2017-10-18 19:38

  本文关键词：超重力电沉积制备镍基复合析氢电极材料

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【摘要】：日益加剧的能源危机和环境问题已激起人们探索清洁、可再生能源的动力。氢能作为一种清洁、可持续的化学燃料,被视为未来能源体系中最具发展前景的化石燃料替代品。在众多的制氢技术中,水电解制氢是一种安全、可再生的制氢方法,能够得到高纯氢气且无污染物排放。然而,电解水过程中由于阴极上较高的析氢过电位导致该方法较高的能耗,从而限制了该技术的发展。因而,开发高性价比的电极材料来降低析氢过电位具有重大的意义。目前,Ni及Ni基电极材料因其较高的活性及在碱性体系中良好的稳定性而成为研究的热点。本论文采用超重力电沉积的方法制备了Ni-CeO2、Ni-碳纳米管(Ni-CNTs)和Ni-还原氧化石墨烯(Ni-rGO)复合阴极材料,并通过XRD、SEM、EDS和电化学分析方法对电极进行了表征。同时,系统地研究了超重力场强度和复合相浓度对复合电极形貌、结构及电化学性能的影响。采用超重力电沉积制备Ni-CeO2复合阴极材料。超重力场的引入能够显著增强传质过程,促进镀层晶粒的细化及提高复合进入镀层的纳米CeO2颗粒的含量。电化学测试表明,超重力场中制备的镀层的析氢性能与常规重力场中的相比得到了显著的提高。在最佳浓度7 g/L CeO2添加量,2350 rpm转速的超重力场下制备的镀层呈现出最高的析氢反应交换电流密度和粗糙度Rf,交换电流密度值是常规重力场下制备的镀层的72倍。电催化性能的增强从根本上可归功于镀层中CeO2含量的提高,镀层晶粒的细化以及比表面积的增大。以CNTs为复合相,在超重力场中制备了Ni-CNTs复合阴极材料。通过三步处理法对CNTs进行截断及表面氧功能化有效地改善了其分散性和悬浮稳定性。制备的复合镀层呈现出具有高比表面积的独特的“毛线球”结构,这种独特的结构得益于超重力场对传质过程起到显著的增强作用。电化学测试表明,在最佳浓度1.0 g/L CNTs添加量,3000 rpm转速的超重力场下制备的镀层表现出最佳的电催化活性,其在所研究的样品中,呈现最小的Tafel斜率及最大的析氢反应交换电流密度。其活性分别是常规重力场中制备的Ni-CNTs电极的17倍,纯Ni镀层的254倍。电化学活性的增强可归结于具有“毛线球”结构特征的Ni-CNTs复合颗粒所带来的比表面积的增大以及Ni基质与CNTs之间的相互作用。同样采用超重力电沉积法来制备Ni-r GO复合阴极材料。制备的复合阴极呈现出独特的多层“三明治”结构,并存在大量纳米Ni颗粒。这种结构特点为析氢反应提供了较高的活性表面积。电化学测试表明,在最佳浓度0.7 g/L GO添加量,3000 rpm转速下制备的材料显示出最高的析氢反应交换电流密度,其大约为纯Ni电极的117倍,为常规重力场中制备的Ni-rGO阴极的5倍。通过长时间析氢反应测试,复合电极表现出优异的稳定性,其形貌特征几乎未发生改变,这也表明rGO复合进入Ni基质不仅提高了材料析氢反应的电催化活性,同时改善了电极的耐久性和耐蚀性。
【关键词】：复合阴极 超重力场 析氢反应 电催化活性
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 绪论13-30
• 1.1 研究背景和意义13-15
• 1.1.1 氢能的特点13-14
• 1.1.2 氢气的制备方法14-15
• 1.1.3 电解水制氢的基本原理15
• 1.2 析氢电极材料的研究概况15-25
• 1.2.1 电解析氢阴极材料的要求和选择15-17
• 1.2.2 多孔镍电极17-18
• 1.2.3 镍基合金电极18-23
• 1.2.4 镍基复合电极23-25
• 1.3 析氢电极材料的制备方法25-26
• 1.3.1 物理法25
• 1.3.2 化学镀25
• 1.3.3 电化学沉积法25-26
• 1.4 超重力技术的研究应用26-29
• 1.4.1 超重力技术在电化学领域的应用27
• 1.4.2 超重力的装置设计27-29
• 1.5 课题研究的目的及内容29-30
• 第2章 实验方法30-39
• 2.1 实验试剂、材料和仪器30-32
• 2.2 镍基复合电极材料的制备32-35
• 2.2.1 超重力电沉积制备Ni-CeO_2复合电极32-33
• 2.2.2 超重力电沉积制备Ni-CNT复合电极33-34
• 2.2.3 超重力电沉积制备Ni-rGO复合电极34-35
• 2.2.4 对照组电极材料的制备35
• 2.3 电极材料理化性质的表征35-36
• 2.3.1 扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)分析35
• 2.3.2 透射电镜(TEM)分析35-36
• 2.3.3 X射线衍射(XRD)分析36
• 2.3.4 原子力显微镜(AFM)分析36
• 2.3.5 红外光谱(IR)分析36
• 2.4 电化学性能表征36-38
• 2.4.1 Tafel极化曲线测试36-37
• 2.4.2 交流阻抗测试(EIS)37
• 2.4.3 循环伏安法(CV)37
• 2.4.4 计时电位法(CP)37-38
• 2.5 相关理论分析依据及计算38-39
• 2.5.1 超重力系数与转速的关系38
• 2.5.2 1mol/LNaOH溶液中析氢反应平衡电位的计算38
• 2.5.3 HER过电位ηc的计算38-39
• 第3章 超重力电沉积制备Ni-CeO_2复合电极及电化学性能研究39-54
• 3.1 不同纳米CeO_2颗粒浓度下制备的Ni-CeO_2复合镀层的性能39-45
• 3.1.1 XRD表征39-41
• 3.1.2 SEM表征41
• 3.1.3 EDS表征41-42
• 3.1.4 Tafel极化曲线测试42-44
• 3.1.5 交流阻抗测试44-45
• 3.2 不同超重力场下制备的Ni-CeO_2复合镀层的性能45-52
• 3.2.1 XRD表征45-46
• 3.2.2 SEM表征46-48
• 3.2.3 EDS表征48-49
• 3.2.4 Tafel极化曲线测试49-50
• 3.2.5 交流阻抗测试50-51
• 3.2.6 循环伏安测试51-52
• 3.3 本章小结52-54
• 第4章 超重力电沉积制备Ni-CNT复合电极及电化学性能研究54-69
• 4.1 不同CNTs浓度下制备的Ni-CNTs复合镀层的性能54-60
• 4.1.1 处理后的CNTs的形貌分析54-55
• 4.1.2 XRD分析55-56
• 4.1.3 SEM表征56-57
• 4.1.4 Tafel极化曲线测试57-58
• 4.1.5 交流阻抗测试58-60
• 4.2 不同超重力场下制备的Ni-CNTs复合镀层的性能60-67
• 4.2.1 XRD表征60-61
• 4.2.2 SEM表征61-62
• 4.2.3 Tafel极化曲线测试62-64
• 4.2.4 交流阻抗测试64-65
• 4.2.5 循环伏安测试65
• 4.2.6 计时电位测试65-67
• 4.3 本章小结67-69
• 第5章 超重力电沉积制备Ni-rGO复合电极及电化学性能研究69-84
• 5.1 GO的表征69-71
• 5.2 不同GO浓度下制备的Ni-rGO复合镀层的性能71-75
• 5.2.1 XRD分析71-72
• 5.2.2 SEM表征72
• 5.2.3 Tafel极化曲线测试72-74
• 5.2.4 交流阻抗测试74-75
• 5.3 不同超重力场下制备的Ni-rGO复合镀层的性能75-82
• 5.3.1 XRD表征75-77
• 5.3.2 SEM表征77-78
• 5.3.3 Tafel极化曲线测试78
• 5.3.4 交流阻抗测试78-80
• 5.3.5 循环伏安测试80-81
• 5.3.6 计时电位测试81-82
• 5.4 本章小结82-84
• 结论84-85
• 参考文献85-93
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果93-94
• 致谢94

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本文编号：1056773