镍铁复合氢氧化物析氧阳极的制备及其在电解碳酸钠中的应用研究

发布时间：2017-09-19 02:43

  本文关键词：镍铁复合氢氧化物析氧阳极的制备及其在电解碳酸钠中的应用研究

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【摘要】：碳酸钠电解在碱溶-碳分法生产氧化铝以及CO2的解吸中都有重要的应用,电解过程中不仅产生常规水电解所得的氢气和氧气,而且分别在阳极室和阴极分别得到NaHCO3和NaOH。其中NaHCO3可以碳分铝土矿溶出液制备氢氧化铝或析出高浓度CO2, NaOH可用于铝土矿的溶解或者捕获低浓度CO2,从而构成工艺的循环：另外,电解产生的氢气在未来氢能时代也有重要的应用。然而,相比于强碱性溶液,碳酸钠溶液中的析氧动力学性能差,通常需要较高的析氧电位,增加了能耗,因此设计和制备一种具有高活性的析氧阳极材料,降低碳酸钠的电解能耗至关重要。本文采用原位沉淀法和电沉积法分别在导电碳基底和泡沫镍基底上负载了高析氧活性Ni-Fe复合氢氧化物纳米片,并将其应用于碳酸钠电解,主要研究内容如下：本文首先采用原位沉淀法制备了NiFe(OH)/C/Nifoam复合电极,并考察了其在1MKOH溶液中的析氧催化性能,主要研究了不同比例镍铁金属前驱体盐、不同的热处理温度和不同金属负载量等因素对电极的析氧性能影响,结果表明当Ni、Fe金属盐比例为5：3、热处理温度为150℃以及金属盐/碳质量比为7：5时所制备的电极具有较优的析氧催化性能。其次,本文采用电沉积法在高导电性的泡沫镍基底上快速生长了NiFe(OH)x超薄纳米片。主要考察了电沉积电流密度、电沉积时间、电沉积时的电量等电沉积参数以及电沉积液的pH和金属盐阴离子的改变对所制备的NiFe(OH)x/Nifoam电极析氧催化性能的影响。实验结果表明,在硫酸盐体系中,当pH=4时,电沉积电流密度为200 mA cm-2时电沉积360s所制备的NiFe(OH)x/Nifoam电极具有最佳的催化析氧性能。SEM结果表明该电极表面形成的由超薄NiFe(OH)x纳米片(2-4nm)组装成的多孔道纳米花结构,不仅大大增加了电极表面催化析氧活性位点,而且有利于氧气的析出。在0.5 M Na2CO3/NaHCO3混合溶液中,在100 mA cm-2的电流密度下,相比于商业RuO2/Ti电极,NiFe(OH)x/Nifoam电极的析氧电位降低了290 mV。在1M NaOH溶液中电化学极化控制区的Tafel斜率仅为28mV dec-1,10 mA cm-2的工作电流密度下,电极的析氧过电位为254 mV,与文献中报道的最优结果相当。在氯化盐溶液中,当电沉积条件为200 mA cm-2-60s时所制备的电极具有最佳的析氧催化性能,与硫酸盐中NiFe(OH)x/Nifoam电极的最佳析氧催化性能相当。最后,将上述NiFe(OH)x/Nifoam电极作为析氧阳极材料应用于碳酸钠的电解中,降低了槽压,节省了能耗。在1.5 M碳酸钠溶液的电解中,相比于商业RuO2/Ti阳极电解,NiFe(OH)x/Nifoam阳极的槽压减少了230 mV。在0.75MNa2CO3/NaHCO3混合溶液电解的过程中,相比于商业RuO2/Ti阳极,NiFe(OH)x/Nifoam阳极电解的槽压降低了280mV,电解后溶液的滴定分析表明阳极酸化效率达到了93.6%,阴极碱化效率到达了87.8%。
【关键词】：碱溶-碳分法 CO_2解吸 析氧阳极 Ni-Fe复合氢氧化物 电解碳酸钠
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-18
• 第一章 绪论18-27
• 1.1 课题背景18-21
• 1.1.1 碱溶碳分法生产氧化铝18-19
• 1.1.2 电化学还原CO_219-20
• 1.1.3 电解碳酸盐的重要性研究20-21
• 1.2 析氧阳极催化剂的研究进展21-23
• 1.2.1 贵金属催化剂21
• 1.2.2 非贵金属单质及合金21-22
• 1.2.3 具有尖晶石结构的金属氧化物22
• 1.2.4 钙钛矿结构的金属氧化物22
• 1.2.5 镍铁复合氢氧化物22-23
• 1.3 镍铁复合氢氧化物电极的制备方法23-26
• 1.3.1 水热法23-24
• 1.3.2 电沉积法24-25
• 1.3.3 沉淀法25-26
• 1.4 课题研究的主要内容和意义26-27
• 第二章 实验部分与研究方法27-37
• 2.1 实验主要材料27-28
• 2.1.1 实验试剂27-28
• 2.1.2 实验仪器28
• 2.2 原位沉淀法制备NiFe(OH)_x/C/Ni_(foam)28-31
• 2.2.1 载体的选择29
• 2.2.2 BP1000碳粉的预处理29
• 2.2.3 基底的选择29
• 2.2.4 空白泡沫镍基底的预处理29-30
• 2.2.5 原位沉淀法制备NiFe(OH)_x/C/Ni_(foam)30-31
• 2.3 电沉积法制备NiFe(OH)_x/Ni_(foam)31
• 2.3.1 空白泡沫镍的预处理31
• 2.3.2 电沉积法制备NiFe(OH)_x/Ni_(foam)析氧阳极31
• 2.4 电极的物理表征方法31-32
• 2.4.1 扫描电子显微镜(SEM)31-32
• 2.4.2 透射电子显微镜(TEM)32
• 2.4.3 X射线光电子能谱(XPS)32
• 2.5 电极的电化学性能表征32-34
• 2.5.1 循环伏安测试(CV)33
• 2.5.2 线性扫描伏安测试(LSV)33
• 2.5.3 塔菲尔测试(Tafel)33-34
• 2.5.4 恒电压稳定性测试34
• 2.5.5 交流阻抗测试(EIS)34
• 2.6 在电解碳酸盐中的应用34-37
• 2.6.1 电解实验34-35
• 2.6.2 电解槽线性扫描伏安测试35
• 2.6.3 恒电流电解35-37
• 第三章 原位沉淀法制备的NiFe(OH)_x/C/Ni_(foam)性能研究37-44
• 3.1 引言37
• 3.2 前躯体盐的比例对电极析氧性能的影响37-38
• 3.3 热处理温度对电极析氧性能的影响38-39
• 3.4 金属盐负载量对电极析氧性能的影响39-42
• 3.4.1 不同扫描速率的CV曲线40-41
• 3.4.2 恒电压稳定性测试41-42
• 3.5 小结42-44
• 第四章 电沉积法制备的NiFe(OH)_x/Ni_(foam)的性能研究44-91
• 4.1 引言44
• 4.2 正交实验44-50
• 4.2.1 正交实验的设计44-45
• 4.2.2 正交实验结果分析45-50
• 4.3 电沉积参数对NiFe(OH)_x/Ni_(foam)析氧性能的影响50-78
• 4.3.1 电沉积电流密度对电极性能的影响50-53
• 4.3.2 电沉积时间对电极析氧催化性能的影响53-78
• 4.4 电沉积液对NiFe(OH)_x/Ni_(foam)析氧性能的影响78-88
• 4.4.1 电沉积液的pH对电极性能的影响78-80
• 4.4.2 电沉积液中阴离子盐为硝酸盐时对电极性能的影响80-82
• 4.4.3 电沉积液中阴离子盐为氯化盐时对电极性能的影响82-88
• 4.5 不同阴离子盐制备NiFe(OH)_x/Ni_(foam)电极的机理研究88-89
• 4.5.1 不同NiFe(OH)_x/Ni_(foam)电极的析氧性能研究88
• 4.5.2 不同NiFe(OH)_x/Ni_(foam)电极的制备机理研究88-89
• 4.6 小结89-91
• 第五章 NiFe(OH)_x/Ni_(foam)析氧阳极在电解碳酸钠中的应用91-98
• 5.1 引言91
• 5.2 不同商业析氢阴极性能的对比研究91-92
• 5.3 在电解碳酸钠溶液中的应用92-95
• 5.3.1 不同电流密度的电解92-93
• 5.3.2 电极的稳定性测试93-94
• 5.3.3 与商业RuO_2/Ti阳极电解的对比研究94-95
• 5.4 在电解Na_2CO_3/NaHCO_3混合溶液中的应用95-96
• 5.5 小结96-98
• 第六章 结论98-100
• 参考文献100-105
• 致谢105-107
• 研究成果及发表的学术论文107-108
• 作者简介108
• 导师简介108-109
• 附件109-110

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