电沉积法制备镍铁铬氢氧化物及其在碳酸盐中析氧性能研究

发布时间：2020-04-24 10:10

【摘要】：电解水制氢是将大规模的太阳能、风能所获得的间断性的、不稳定的电能转化-存储为绿色的氢能的一种有效方式,能够为未来氢能时代提供高效快速的制氢手段。电解碳酸盐溶液相比于电解水过程,除了可制得氢气和氧气之外,还可以再生NaOH和NaHCO3/CO2产品。在膜电解-碱溶碳分法生产氧化铝、碱性CO2吸收剂的循环再生和电化学固化CO2资源化领域中具有广阔的应用前景。然而,碳酸盐溶液的析氧过程中存在动力学性能差、导致电解能耗较高;而且电解过程中溶液酸化会导致严重的催化剂腐蚀。为了解决上述问题,本论文提出采用电沉积法制备高效耐蚀镍铁铬复合氢氧化物作为碳酸盐溶液中的析氧催化剂。论文的主要研究内容如下:1.通过共沉积的方法,在不锈钢(SLS)或者泡沫镍(NF)基底上,制备了 NiFeCr(OH)x/SLS和NiFeCr(OH)x/NF。探究了沉积前驱体镍铁铬金属离子浓度比例、沉积电流密度、沉积时间等制备条件对材料性能的影响。实验结果表明,当以SLS为基底时,沉积时间600 s、沉积电流密度为50 mA·cm-2时制备的阳极析氧性能最好。以NF为基底时,最优的共沉积电流密度和时间分别为200 mA·cm-2和120 s。在该条件制得的电极在0.5 mol L-1 Na2CO3/NaHCO3溶液中的析氧过电位η10和η100分别为430 mV和650 mV,相比于其它制备条件下的析氧过电位均最小。2.通过先沉积镍铁氢氧化物再二次沉积铬氢氧化物的分步电沉积方法制备了 NiFe(OH)x@Cr(OH)3/SLS 和 NiFe(OH)x@Cr(OH)3/NF析氧阳极。SEM和XPS结果表明,不锈钢网表面和泡沫镍表面的薄膜结构均由互联互通的超薄纳米片构成的球无规则堆叠而成,表面氧化物由NiFe(OH)x超薄薄片和Cr(OH)3晶粒组成。通过电化学性能分析可知,当沉积电流密度为200 mA·cm-2,沉积时间为60 s制备的NiFeCr(OH)x/SLS和NiFeCr(OH)x/NF电极具有最佳的析氧催化性能,且以NF为基底的沉积效果优于SLS基底。3.通过共沉积法和分步电沉积法制备阳极的析氧活性对比可知,分步电沉积法制备的电极析氧活性和稳定性均优于共沉积法。LSV测试结果表明,在0.5 mol L-1 Na2CO3/NaHCO3溶液中,分步电沉积制备的 NiFe(OH)x@Cr(OH)3/NF 电极的 Tafel 斜率为 33 mV·dec-1 在 10 mA·cm-2下的析氧过电位只有370 mV,比共沉积制备的NiFeCr(OH)x/NF电极的析氧过电位低了 60 mV。从稳定性的测试结果可以看出,在碳酸盐溶液中,分步电沉积制备的NiFe(OH)x@Cr(OH)3/NF电极具有最佳的稳定性,在10mA·cm-2工作电流密度下极化98 h,其电位基本保持不变。
【图文】：

图２－１以ＮＦ为基底的共同电沉积过程示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋ＮＦ邋ａｓ邋ａ邋ｂａｓｅ邋ｏｆ邋ｃｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑如图２－１所示，采用阴极恒流的方法进行电沉积实验，四电极体系中阳极为逡逑Ｔｉ0２／Ｒｕ网（ｌＯｍｍｘｌＯｍｍ），饱和甘亲电极作为参比电极进行实验，预处理后逡逑的ＳＬＳ或者ＮＦ作为工作电极，施加电流到工作电极。实验所需要的电沉积溶液逡逑１２逡逑

ＮｉＦｅＣｒ（ＯＨ）ｘ／ＮＦ＝逡逑２．２．４邋分步电沉积法制备邋ＮｉＦｅ（ＯＨ）ｘ＠Ｃｒ（ＯＨ）３／ＳＬＳ邋和邋ＮｉＦｅ（ＯＨ）ｘ＠Ｃｒ（ＯＨ）３／ＮＦ逡逑如图２－２所示采用阴极恒电流的方法进行电沉积实验，四电极体系中阳极为逡逑Ｔｉ０２／Ｒｕ网（ｌＯｍｍｘｌＯｍｍ），饱和甘汞电极作为参比电极进行实验，预处理后逡逑的ＳＬＳ或者泡沫镍作为工作电极，施加电流到工作电极。实验所需要的电沉积逡逑溶液为：８邋ｍｍｏｌ．Ｌ－１邋ＮｉＳ０４．６Ｈ２０、８邋ｍｍｏｌ．Ｌ－１邋ＦｅＳ０４．７Ｈ２０、２５邋ｍｍｏＩ邋Ｌ－１邋（ＮＨ４）２Ｓ０４逡逑的混合溶液，将溶液的ＰＨ调节为４，通过浓度为０．５逦调节ｐＨ，对逡逑ＮｉＦｅ（ＯＨ）ｘ／ＳＬＳ或者ＮｉＦｅ（ＯＨ）ｘ／ＮＦ上进行一次电沉积，再次进行电沉积实验，逡逑与上述一样，同样为四电极体系。电沉积液为：８ｍｍｏｈＬ＿１Ｃｒ２（Ｓ0４）３、２５ｍｍｏｌＬ＿１逡逑（ＮＨ４）２Ｓ０４、通过探索不同沉积条件制备最优性能的阳极逡逑ＮｉＦｅ（ＯＨ）ｘ＠Ｃｒ（ＯＨ）３／ＳＬＳ邋和邋ＮｉＦｅ（ＯＨ）ｘ＠Ｃｒ（ＯＨ）３／ＮＦ。逡逑（ａ＞邋ＷＥ逦（ｂ）邋ＷＥ逡逑ＣＥ逦ＣＥ逦ＣＥ逦ＣＥ逡逑、逦逦逦邋NB逦、逦－逡逑ｉｌｌ逡逑（Ｃ）逦（ｄ）逦＿皿逡逑图２－２以ＮＦ为基底，，分布沉积过程示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋ＮＦ邋ａｓ邋ａ邋ｂａｓｅ
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TQ116.2

【参考文献】

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本文编号：2638851