电沉积法制备钴镍基氢氧化物催化剂用于水分解析氢反应

发布时间：2020-05-06 11:59

【摘要】：氢气在新能源和储能方面具有非常重要的地位。开发一种高效、廉价、环境友好的水分解制氢反应催化剂十分必要。我们选取廉价丰富的第一过渡系金属钴镍铜等为原料,进行了一系列研究工作。为了改善钴氢氧化物的析氢性能,我们以三维多孔结构的泡沫镍材料为基板(NF),通过电沉积的方法对其进行了镍离子掺杂,制备了具有菜花状结构的多孔钴镍氢氧化物(CoNi-OH),并探索了不同浓度镍离子的掺杂对催化性能的影响。通过XPS和拉曼光谱表征,我们观察到钴镍氢氧化物的特征峰,证明所制备的材料为钴镍氢氧化物,XRD和高分辨透射电镜图没有观察到钴镍氢氧化物的特征峰和对应的电子衍射环,表明我们所制备的钴镍氢氧化物是无定形结构。通过线性扫描伏安法(LSV)探究CoNi-OH/NF电极的析氢催化效果。在1.0 M KOH水溶液中电流密度为10 mA cm-2时,过电势仅为74 mV,比氢氧化钴(185.5 mV)和氢氧化镍(189 mV)低很多,证明钴镍氢氧化物的复合可以形成协同效应,提高催化性能。通过计时电位曲线测定钻镍氢氧化物电极的稳定性,在电流密度为100 mA cm-2时,过电势保持在260 mV左右,在连续10小时的测试过程中,其波动小于11 mV,证明CoNi-OH/NF催化剂具有优异的稳定性。进一步采取物理表征和电化学表征探究钴镍氢氧化物电化学性能改进的原因。通过复合物表面形貌测试和电化学活性面积计算可知,与氢氧化钴和氢氧化镍相比,CoNi-OH复合物具有更高的活性面积,为析氢反应提供了更多的活性位点。通过接触角测试可知,CoNi-OH的接触角为13.9°,比氢氧化镍(20.9°)和氢氧化钴(15.4°)低,证明CoNi-OH电极表面亲水性强,在催化反应中可以与电解液充分接触。通过电化学阻抗测试可以证明在氢氧化钴中掺杂镍离子可以降低电荷转移电阻,提高催化反应动力学。此外,CoNi-OH催化剂对析氧反应也有一定的催化效果,在电流密度位10 mA cm-2时,过电势为338 mV。CoNi-OH/NF电极可以作为双电极在碱性介质中催化水分解。经过测试可知,催化水分解的电位保持在1.68V,稳定性优良。虽然CoNi-OH催化剂已经取得了很好的效果,但与贵金属相比,仍然存在一些差距。为了进一步改进其电催化析氢活性,在钴镍氢氧化物的基础上,掺杂元素铜,系统的探究了掺杂铜对钴镍氢氧化物催化剂析氢性能的影响。通过循环伏安法在泡沫镍基板上制备掺杂铜的钴镍氢氧化物催化剂(Cu(0)-CoNi-OH),并对铜加入比例和沉积电位等条件进行优化。结果表明,铜加入量为0.012 M,沉积电位为-1.2-0.1 V时,获得了类似核壳结构的掺铜钴镍氢氧化物。通过研究掺铜催化剂的制备过程,发现在沉积曲线的第一圈有一个显著的还原峰(-0.25 V),其对应的样品的形貌为球形颗粒。通过XRD、XPS表征,表明催化剂中元素铜以金属态存在,结合EDX能谱分析,发现铜的还原过程主要发生在循环伏安沉积的第一圈。高分辨透射电镜图中间距为0.201 nm的均匀条纹,对应于金属Cu(111)晶面。低倍透射电镜图表明,镍钴氢氧化物薄膜结构包覆在金属颗粒的表面,形成以铜为芯的核壳结构。通过线性扫描伏安法对Cu(0)-CoNi-OH/NF电化学性能进行测试。结果发现,在1.0M KOH电解液中,电流密度为10 mA cm-2时,Cu(0)-CoNi-OH催化剂催化析氢反应的过电势仅为47 mV。其相应的塔菲尔斜率为48 mV dec-1,与CoNi-OH催化剂(94 mV dec-1)相比明显降低,证明金属铜的掺杂可以提高催化反应的动力学速率。计时电位曲线和多电流阶跃曲线测试表明,电极在长时间催化反应中稳定性良好。其优良的电化学性能主要归因于金属铜和钴镍氢氧化物形成了金属/氢氧化物界面,为析氢反应提供了大量的活性位点。此外,铜的掺杂提高了催化剂表面的粗糙度,增大了材料的电化学活性面积,提高了析氢反应性能。
【图文】：

在高纯度氢气饱和的１．０邋ＭＫＯＨ中，扫数为１邋ｍＶ逦测量一组循环伏安曲线，逡逑曲线中在电流密度为０邋ｍＡ时，所对应的两个电位的平均值为该参比电极在析氢反逡逑应中的热力学电势，即其与标准氢电极在换算时的差值（图２－ｌａ）［７（）］。此外，在后逡逑续的实验中用到的饱和甘汞电极也用此方法进行校准，Ｅｒｈｅ＝Ｅ邋ｓｃｅ＋１．０５５±０．００２Ｖ逡逑（图邋２－ｌｂ）。逡逑逦：￣：逦邋０．２邋■

Ｎｉ２＋邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邋（／邋＝邋１０邋ｍＡ邋ｃｍ＂２）．逡逑我们选取Ｃ0Ｃｌ２和ＮｉＣｌ２为原料，首先研宄了不同浓度的镍离子和沉积条件逡逑对制备的镍钴氢氧化物电催化活性的影响。图３－ｌ（ａ）所示的是不同镍离子浓度对逡逑析氢反应极化曲线的影响，其中溶液中钴离子的浓度保持不变（０．２邋Ｍ）。图３－ｌ（ｂ）逡逑是在电流密度为１０ｍＡｃｎｆ２时，制备的ＣｏＮｉ－ＯＨ／ＮＦ电极析氢反应过电势与溶液逡逑中镍离子浓度的关系图。从图中可以看出，在溶液中没有加入镍离子前，，所制得逡逑的Ｃｏ（ＯＨ）２／ＮＦ电极在电流密度为１０邋ｍＡｃｍ＿２时过电势为１８５．５邋ｍＶ，随着加入镍逡逑离子浓度的增加，所制得的ＣｏＮｉ－ＯＨ／ＮＦ电极的过电势逐渐降低，当加入的镍离逡逑１８逡逑
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TQ116.2

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;一种等长中型烟气脱硝催化剂性能检测装置及检测[J];化学分析计量;2017年02期

2 俞坚;张虹;戴擎镰;陈甘棠;;多组份MoBi催化剂上丙烯氨氧化反应Ⅰ.反应气氛对氧化还原型催化剂性能的影响[J];石油化工;1987年07期

3 杨均辉;邓云祥;闭海燕;林尚安;;共振磨载体催化剂中含钛量对丙烯聚合的影响[J];合成树脂及塑料;1987年03期

4 叶玉汉;范田村;;新型钛系催化剂在环保中的应用简介[J];化工环保;1987年05期

5 李焦峰;刘大壮;;积极开发钼在化学化工方面的应用[J];河南化工;1987年03期

6 郭章潮;;热分析技术用于Z_(102)转化催化剂性能考察[J];中氮肥;1987年01期

7 周邦荣;;国外Sohio丙烯腈制法发展概况[J];金山油化纤;1987年04期

8 万学兵;芦令芳;;大比重航煤二段加氢芳烃饱和催化剂的选择及改进[J];齐鲁石油化工;1987年01期

9 蒋齐礼;;氨厂变换节能与节能型催化剂[J];化肥设计;1988年06期

10 甘云生;;通过H_2S处理的Rh-Ir-Mn-Li/SiO_2催化剂高压下CO加氢制醋酸选择性的改进[J];天然气化工(C1化学与化工);1988年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 辛勤;;粒子大小、微区结构和组成对电催化剂性能的影响[A];第十四届全国催化学术会议论文集[C];2008年

2 辛勤;;粒子大小、微区结构和组成对催化剂性能的影响[A];第七届全国催化剂制备科学与技术研讨会论文集[C];2009年

3 姜浩强;何润霞;王娜;王杰;智科端;刘全生;;镧掺杂对铜锰复合氧化物变换催化剂性能的影响[A];第十四届全国青年催化学术会议会议论文集[C];2013年

4 孙欣欣;林强;李金兵;;载体预处理工艺对乙烯氧化银催化剂性能的影响[A];第九届全国工业催化技术及应用年会论文集[C];2012年

5 吴慧;樊金串;黄伟;谢克昌;;聚乙二醇对合成二甲醚浆状催化剂性能的影响研究[A];第十三届全国催化学术会议论文集[C];2006年

6 武芳;何润霞;智科端;刘全生;;稀土掺杂对煤制合成气用铜锰变换催化剂性能的影响[A];中国化学会第十二届全国应用化学年会论文集[C];2011年

7 赵晓争;高雄厚;张忠东;张莉;刘宏海;;不同类型稀土元素对原位晶化型催化剂性能的影响[A];甘肃省化学会第二十七届年会暨第九届甘肃省中学化学教学经验交流会论文摘要集[C];2011年

8 苗婷;朱海燕;;活性炭载体结构及预处理对催化剂性能的影响[A];第十届全国工业催化技术及应用年会论文集[C];2013年

9 王红岩;郑起;于政锡;林性贻;;钼助剂对乙炔法合成醋酸乙烯催化剂性能的影响[A];第十三届全国催化学术会议论文集[C];2006年

10 苏茂;刘少光;戴炎彬;陈成武;张玉清;冯云桑;徐玉松;;稀土氧化物对钒钛类催化剂性能的影响[A];2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集（第一卷）[C];2011年

中国重要报纸全文数据库 前7条

1 于洋;DFAFC催化剂性能大幅提升[N];中国化工报;2014年

2 记者 李晓岩;1，4-丁炔二醇催化剂国产化[N];中国化工报;2015年

3 本报记者 金鹭 通讯员 王虎羽;催化剂“混用”出大效益[N];宁波日报;2018年

4 肖萍 胡祖福;碳酸二甲酯新型催化剂性能优 有机硅聚酯改性树脂开发成功[N];中国化工报;2000年

5 ;打破国外技术垄断[N];西安日报;2009年

6 记者肖宏斌;上海石化院成果获市科技进步一等奖[N];中国石化报;2009年

7 黄海涛;渣油加氢处理系列催化剂性能优良[N];中国石化报;2004年

中国博士学位论文全文数据库 前8条

1 孙雍荣;碳基载体催化剂的制备及电化学性能研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

2 黄浩;用于太阳能—化学能转化的金属纳米结构设计[D];中国科学技术大学;2018年

3 江彬彬;基于贵金属设计高效的电解水催化剂[D];苏州大学;2018年

4 张靖佳;碳基钼化合物复合载体的制备及对Pt催化剂性能影响研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

5 熊亚林;燃料电池催化剂用铂基纳米晶的可控制备及电催化性能研究[D];浙江大学;2017年

6 曲微丽;无机复合物载体对直接甲酸燃料电池Pd催化剂性能影响研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

7 时光;火烧油层外加催化剂研制及其作用机理实验研究[D];东北石油大学;2017年

8 姜明泉;煤焦碱金属催化水蒸汽气化—产氢行为和催化剂性能的研究[D];华东理工大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 崔晗;Pt/SDB疏水催化剂的优化设计[D];哈尔滨工程大学;2018年

2 白晶晶;电沉积法制备钴镍基氢氧化物催化剂用于水分解析氢反应[D];陕西师范大学;2018年

3 曾艳华;基于配位策略的高效氧电极催化剂的设计制备及性能优化[D];华南理工大学;2018年

4 杨东辉;直接甲醇燃料电池阳极Pt基催化剂氧化锡锑载体改性研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

5 吴德明;氮掺杂碳纳米管包覆钴基催化剂活化Na_2SO_3降解有机污染物的性能和机制[D];武汉纺织大学;2018年

6 温正中;改性In/H-Beta催化CH_4选择性还原NO_x的研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

7 郭永华;铈/锰基复合氧化物的制备及其催化性能研究[D];山东大学;2018年

8 李苹;过渡金属基催化剂的制备及其水分解性能研究[D];陕西师范大学;2018年

9 李雪迎;介孔复合锰基催化剂净化VOCs及其生命周期评价[D];中国环境科学研究院;2018年

10 杨从强;生物质衍生Co-N-C催化剂的制备及其在催化氧化C-H键反应中的应用[D];湖南大学;2017年

本文编号：2651223