Ni-Fe-Mo系多孔电极材料的制备及其电催化性能研究

发布时间：2020-10-30 16:00

　　 氢气作为二次能源以其清洁无污染、高效、可储存和方便运输等优点,被视为最为理想的能源载体。在各种制氢技术中,电解水制氢具有产品纯度高、电解效率高、无污染、取材丰富等优点已被广泛利用。镍基多孔材料通过多种元素的合金化,设计适宜的孔结构,既利于形成气体通道,又可以提高材料的比表面积,从而增加催化反应的活性中心,是一种高效的析氢电极材料。研究镍基多孔材料的组织结构及其电化学析氢性能显得十分必要。本文采用元素粉末反应合成法制备了 Ni-Fe-Mo、Ni-Fe-Mo-C-LaNi5多孔电极材料,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、背散射电子衍射(BSED)、循环伏安扫描(CV)、线性极化扫描和电化学阻抗技术(EIS)等手段研究了电极的孔结构和电催化析氢性能,并采用电化学工作站测量其电化学性能。研究工作得到如下主要结果:1.Ni-Fe-Mo多孔电极材料的组织成分由三部分组成,大部分为固溶了少量Mo原子的Ni-Fe-Mo固溶体,少部分为大区域的Mo团聚物,还有一部分为固溶了大量NiMo化合物和少量FeMo化合物的固溶体。成分配比为8:1:1烧结温度为800℃下的多孔材料具有良好的析氢性能,室温下的交换电流密度为2.89×10-4 A·cm-2。2.Ni-Fe-Mo-C-LaNi5多孔复合电极材料的孔隙率为35.1%,平均孔隙约3.7μm,具有丰富的孔隙。该电极电解析氢的反应控制步骤为电化学步骤,交换电流密度约为1.13×10-3A·cm-2,析氢激活能约为20.75KJ/mol,表现出优异的电解析氢活性。Ni-Fe-Mo-C-LaNi5多孔复合电极的本征催化活性只有纯Ni电极的1.5倍左右,而比表面积活性却是纯Ni电极的9倍,表明其催化活性不仅来自于元素间的协同作用,同时来自于真实表面积的增大。3.323K温度下6 M KOH溶液电化学阻抗(EIS)实验表明,Ni-Fe-Mo-C-LaNi5多孔复合电极材料具有良好的电催化析氢活性。Ni、Fe、Mo和C之间的协同作用以及LaNis增强电极表面的H吸附起到的储氢作用是电催化析氢活性提高的内在原因。此外,Ni-Fe-Mo-C-LaNi5多孔复合电极材料在1000个循环周期后电流密度不仅没有衰减,反倒增加了 25%,表明材料具有较好的电解析氢稳定性。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ116.2;O646.54
【部分图文】：

１］，借助于电子探针微区成分分析，实验测定了?Ｎｉ－Ｆｅ－Ｍｏ三元系１０００°Ｃ下??的等温截面，对进一步研宄Ｎｉ－Ｆｅ－Ｍｏ三元系的相关系、优化计算Ｎｉ－Ｆｅ－Ｍｏ的相??图以及对Ｎｉ基合金的优化及工艺选择均有着重要的意义。结果如下：图１－１为??Ｎｉ－Ｆｅ－Ｍｏ在１０００°Ｃ下的等温截面图［５２】。由图１－１可知，Ｎｉ－Ｆｅ－Ｍｏ三元系在１０００°Ｃ??时存在如下?３?个三相区：｜ａ＋ｂｃｃ（Ｍｏ）＋ＮｉＭｏ；?（ｉ＋ＮｉＭｏ＋ｆｃｃ、ｂｃｃ（Ｆｅ）?＋?ｐ＋ｆｃｃ（｜＿ｉ为??ＦｅＭｏ化合物）。根据冯艳的文献可知，Ｆｅ在Ｍｏ中的极限固溶度为３．５４ａｔ％，?Ｎｉ??在Ｍｏ中的固溶度极限为７．９７ａｔ％，?Ｍｏ在（Ｎｉ，Ｆｅ）完全固溶体ｆｅｅ中的极限固溶度??为１２．３８ａｔ％。Ｎｉ基合金的优异性能在很大程度上得益于难熔金属的添加，Ｍｏ固??溶在超合金中，由于其本身的高熔点，高热导性和对溅射的高电阻，可以提高合??金的稳定性，还可以强化晶界和其他析出相，从而提高合金的高温强度。Ｆｅ在??合金中也是一种固溶强化元素，可以提高合金的稳定性，并使合金具有良好的磁??性和电学性能。??Ａ＂（Ｆｃ）?Ｉ?－ｂｃｃ（Ｍｏ）＋ＮｉＭｏ

２．１实验流程??采用传统的粉末冶金方法制备Ｎｉ－Ｆｅ－Ｍｏ、Ｎｉ－Ｆｅ－Ｍｏ－Ｃ－ＬａＮｉ５多孔材料，具??体的实验技术路线如图２－１所示。??Ｎｉ粉?Ｆｅ粉?Ｍｏ粉?Ｃ粉?｜?ＬａＮｉ５粉??￣￣ｒ?￣￣１?￣￣Ｈ?￣￣Ｉ???Ｙ???筛分、粒度分级???＾?ｒ???混合粉末???＾?［???压制成形???Ｙ???真空烧结??，ｒ???Ｎｉ－Ｆｅ－Ｍｏ（Ｃ／ＬａＮｉ５）多孔材料??，■??结构表征?｜析氢催化活性性能测试??

Ｊ为多孔试样测试区域的面积，??孔材料析氢电化学性能及析氢行为研究方法??ｉ－Ｆｅ－Ｍｏ（Ｃ／ＬａＮｉ５）多孔材料的电化学测试采用电化学测试工作站（ＣＳ３５０，??思特仪器公司）进行测试，如图２－２所示，所有的电化学测试过程为三，其中钿片为辅助电极，Ｈｇ／ＨｇＯ电极作为参比电极，参比电极是通过（盐桥）与工作电极相联通，主要的电化学测试方法有稳态阴极极化法、??安法以及交流阻抗法，电极的工作面积为１平方厘米，电解液为６?Ｍ?ＫＯＨ。??试均对测试电解质的温度进行控制，利用水浴加热进行温度的监控。由于??测试条件比较苛刻，为了保证数据的客观性以及重现性，本文中的电化经过多次测试而得到，为了保证测试过程的系统性，所有的测试均在静液中进行，电解前工作电极放置于电解液中０．５ｈ以上，以此来消除每次??程中由于搅拌而带来的扩散误差影响，在本论文所有电极在进行电化学需先在－１．２ｖ极化电位下极化１２００ｓ，以消除电极表面可能含有氧化性物。??
【参考文献】

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本文编号：2862700