梯度Ni-Cu合金的双极电化学制备及催化析氢性能研究

发布时间：2020-11-05 22:26

　　 人类社会的发展对新能源的需求越来越大。氢能是一种高效、清洁的能源,电解水制氢是最佳的选择之一。电解水制氢的主要问题是能耗过大。降低析氢过程的过电势,亟待开发高性能非贵金属的析氢催化剂。本论文分别采用常规的电沉积方法和基于双极电化学原理的梯度电沉积方法,制备不同原子比的铜镍合金(NixCuy),研究合金组成与析氢催化性能的关系。通过恒电流沉积技术在铜基底上制备组成和形态可调的NixCuy纳米合金,以研究合金组成和电催化活性之间的关系。实验表明,NixCuy纳米合金的组成和形貌可以是由所施加的电流密度大小控制。随着电流密度从10增加到100 mAcm-2,合金中原子比Ni:Cu从1:9变化到3:1。通过在1.0M H2SO4和1.0MKOH中的析氢反应(HER)来评价这些纳米合金之间电催化活性的差异。合金的催化活性与组成之间有着高度依赖性,而且这种依赖性在1.0 M H2SO4溶液中比在1.0 M KOH溶液更加明显。通过调整NixCuy合金的原子比例,在1.0 M H2SO4溶液和1.0 M KOH溶液中分别实现了析氢反应交换电流密度i0的13.5和5.7倍的增加。同时,在相同的两种介质中观察到电荷转移电阻分别降低了 4.5和2.0倍。当纳米NixCuy合金中原子比Ni:Cu=1:1时,对析氢反应的催化效果最佳,这时纳米Ni1Cu1合金由四级树枝状纳米链组成。实验结果证明,恒电流方法不仅可以调整纳米合金的组成,而且可以调整纳米合金的形貌,这两者对于工业电催化剂的纳米尺度的设计起着重要作用。使用双极电沉积在铜基底上成功制备出了梯度NixCuy合金,该技术基于双极电极(BPE)和电解溶液的界面之间的电势梯度。界面电势梯度使得Ni和Cu的电沉积速率沿着BPE的长度变化,从而得以制备出组成具有梯度的合金。使用扫描电子显微镜(SEM)表征电沉积物的表面形态,并且使用能量色散X射线光谱(EDX)确定合金的化学组成。随着电势差值的降低,Cu原子的百分比由33提升到99。通过调控NixCuy合金中原子比,在1.0MH2SO4溶液中实现了交换电流密度i0值18.3倍增加,电荷转移电阻Rct值6.3倍降低。通过SEM可以看出等原子比的NiCu合金也是树枝状纳米链组成,证明采用双极电化学方法控制电势差值,也能调整纳米合金的组成和纳米合金的形态。综上所述,具有等原子比的NiCu合金是催化活性良好的析氢催化剂,其催化活性能主要归因于材料的固有性质。使用双极电化学方法能够高效制备系列组成的梯度合金,是一种具有良好发展前途的快速筛选高效催化剂的方法。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：O643.36;TQ116.2
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 电化学析氢概述
        1.2.1 析氢反应平衡电势的计算
        1.2.2 析氢过电势的计算
        1.2.3 析氢极化曲线动力学参数
    1.3 非贵金属和合金金属在电解析氢中的应用
        1.3.1 铁基电极材料
        1.3.2 镍基电极材料
    1.4 双极电化学概述
        1.4.1 双极电化学的基本原理
        1.4.2 驱动电极和BPE之间的关系
        1.4.3 双极电化学的特异性
        1.4.4 电场和电流路径
    1.5 双极电化学的应用
        1.5.1 材料制备
        1.5.2 感应和筛选应用
        1.5.3 双极电极富集
        1.5.4 双极电化学移动物体
    1.6 本选题的目的、意义及研究思路
        1.6.1 选题目的
        1.6.2 选题意义
        1.6.3 研究思路
第二章 恒电流法制备镍铜合金及析氢性能研究
    2.1 引言
    2.2 实验部分
        2.2.1 试剂与仪器
        2.2.2 溶液配置
        2.2.3 三电极体系
        2.2.4 合金电沉积及其形貌表征
        2.2.5 合金电极的析氢测试
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 沉积合金粒子的形貌表征
        2.3.2 析氢极化曲线
        2.3.3 交流阻抗以及数据处理及分析
        2.3.4 稳定性测试
    2.4 本章小结
第三章 双极电化学法制备梯度镍铜合金及析氢性能研究
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 试剂与仪器
        3.2.2 双极电极沉积电解槽的设计与制作
        3.2.3 镍铜梯度合金沉积
        3.2.4 合金电极的析氢测试
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 不同浓度下的阴极极化曲线
        3.3.2 不同驱动电势下的阴极极化曲线
        3.3.3 沉积液中不同镍铜离子比例下的阴极极化曲线
        3.3.4 不同沉积时间下的阴极极化曲线
        3.3.5 析氢极化曲线的理论计算
        3.3.6 交流阻抗测试
        3.3.7 电极稳定性测试
    3.4 本章小结
第四章 双极电化学法制备梯度镍铜合金的改进
    4.1 引言
    4.2 实验部分
        4.2.1 试剂与仪器
        4.2.2 双极电极沉积电解槽的改进与制作
        4.2.3 镍铜梯度合金沉积
        4.2.4 合金电极的析氢测试
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 驱动电势对双极电沉积的影响
        4.3.2 沉积时间对双极电沉积的影响
        4.3.3 溶液浓度对双极电沉积的影响
        4.3.4 电极位置对双极电沉积的影响
        4.3.5 析氢极化曲线的理论计算
        4.3.6 交流阻抗测试
        4.3.7 稳定性测试
        4.3.8 沉积合金粒子的形貌表征
    4.4 本章小结
第五章 全文总结
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文

【参考文献】

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本文编号：2872272