镍基一体化电解水电极研究

发布时间：2021-11-21 05:29

　　随着能源危机与环境污染问题的日益加剧,电解水制氢技术因其清洁环保、易于规模化、所制备的氢气纯度高等优点引起了学术界的广泛关注。然而,电解水反应是一个由多步基元反应构成的化学变化过程,热力学能垒高,动力学也极为缓慢。因此,电解水制氢技术的大规模商业化目前仍受制于廉价、高效且稳定的电催化剂的开发。近年来,由于具有丰富的储量、低廉的价格,基于过渡金属（如:铁、钴、镍）的电催化剂被寄予厚望。然而,目前过渡金属电催化剂的活性与热力学理论目标的差距仍然十分显著。高效的催化剂必须具有优化的电子结构,从而有利于各种反应中间物种的特性吸/脱附。此外,由于涉及气、液、固三相界面,众多外部因素（如:催化剂比表面积、传质通道的设计、催化剂载量、等等）也将影响电极催化活性提高的。所以,为提升电解水效率,本论文主要从电极结构设计和催化剂电子结构优化两个方向出发,开展了以下几项工作:（1）针对实际应用中催化剂膜较厚、传质阻力大、导电性差等问题,本文借助Fe³⁺离子对金属Ni的温和腐蚀作用,开发了三维一体化珊瑚状FeNi（OH）_x/Ni全水分解电极。首先,通过大电流阴极电沉... 

【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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氢储能系统示意图

重庆大学博士学位论文2氢储能能否成为现实，氢的大规模生产极为关键。相关制氢技术必须满足以下条件：①必须遵循可持续原则；②需使用来源广泛的可再生的原料；③制得的氢气纯度高[4]。电解水制氢即是这样一种能够满足上述条件的关键技术。事实上，电解水制氢是一项十分古老的技术。早在1800左右，J.W.Ritter即在德国阐述了电解水的基本原理。其首次实际应用出现在1890年，法国军队应用电解水制氢技术研制了军用飞艇[5]。但是，由于氢气可以通过成本更为低廉的技术（如：重整制氢）制备，因此电解水制氢技术的发展十分缓慢。重整制氢技术虽然技术成熟、成本低廉，但是依赖化石能源且碳排放量高，显然无法满足新时期的要求而前景黯淡。所以，近年来，电解水制氢技术因工艺简单、原料（水）来源广泛，与可再生能源相结合后清洁环保、所制备的氢气纯度高等优势获得了世界各国的青睐[6]。但是，节能降耗、使电解水制氢的成本与重整制氢持平甚至更低，仍然是当前世界各国所面临的一个巨大的挑战[7]。1.1电解水制氢技术1.1.1电解水制氢基本原理如图1.2所示，最简单的电解水系统由浸没在电解液中的阳极和阴极，经外电路连接组成。阴、阳极之间被隔膜隔离。电解水过程中，直流电源对整个系统供电。在外电场的作用下，电解液中H+不断向阴极迁移产生氢气，而OH不断向阳极迁移生成氧气。因为纯水的电导率很低，因此，必须向电解液中加入KOH或NaOH等电解质，以增强溶液导电性。图1.2电解水系统示意图Fig.1.2Basicschemeofawaterelectrolysissystem

??讨校琀2O在阳极氧化生成质子和氧气，而水合质子在电渗流的作用下通过质子交换膜迁移到阴极被还原为氢气。PEMWE电解槽所使用的质子交换膜（如Nafion,厚度通常只有0.2mm）具有很高的质子导电性（0.1-0.02Scm-1），可作为固体电解质。因此，PEMWE电解槽可以直接使用去离子水作为电解液，避免了AWE中碱性电解液带来的各种问题。此外，PEMWE采用“零极距”式电解槽结构，系统更为紧凑。与此同时，得益于质子交换膜优异的气体阻隔能力，使得大电流密度（>2Acm-2）、高气压（350bar）条件下的电解水成为可能[14]。图1.4PEM电解槽工作原理示意图(a)和PEM电解槽横截面示意图(b)[13]Fig.1.4SchematicillustrationofPEMfundamental(a)andcross-sectionalconfiguration(b)[13]

【参考文献】：
期刊论文
[1]全球能源未来发展的五个趋势[J]. 周问雪.  新能源经贸观察. 2018(11)
[2]国际能源转型与中东石油[J]. 吴磊,杨泽榆.  西亚非洲. 2018(05)
[3]电解制氢与氢储能[J]. 俞红梅,衣宝廉.  中国工程科学. 2018(03)
[4]氢储能系统关键技术及应用综述[J]. 霍现旭,王靖,蒋菱,徐青山.  储能科学与技术. 2016(02)
[5]氢能制备技术研究进展[J]. 朱俏俏,程纪华.  石油石化节能. 2015(12)

博士论文
[1]水滑石基高效析氧电催化剂的制备及其性能研究[D]. 张丛.北京化工大学 2017



本文编号：3508870