等离子体处理的泡沫金属负载非贵金属硫化物的析氢材料及其性能研究

发布时间：2017-12-13 21:33

  本文关键词：等离子体处理的泡沫金属负载非贵金属硫化物的析氢材料及其性能研究

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【摘要】：氢能作为一种无污染可再生的清洁能源,具有资源丰富、易储存等诸多突出的优点。随着化石燃料的日益减少及环境问题的日显突出,氢能越来越受到人们的重视。目前,电解水是大规模制氢的重要途径,为了降低阴极过电位以节约能耗,研究低析氢过电位、高催化活性的阴极材料具有重要意义。制得拥有高催化活性的析氢阴极材料,主要有两种方式得以实现:一种是寻找新型高催化活性的催化材料,提高电极本身的电化学活性;二是提高电极的真实比表面积,即增大材料的表面粗糙度,使得电解过程中电极材料表面的真实电流密度得到降低,达到降低析氢过电位的效果。泡沫镍(NF)作为一种商业化的三维开孔、孔隙与金属骨架相互连通的功能金属材料,广泛的应用于镍氢电池电极材料、燃料电池等领域。这类材料具有较大的电化学反应界面,在电化学析氢电极材料方面具有较大的应用前景。本论文采用等离子体技术和高压水热法制备以泡沫镍为基体的复合电极,利用SEM、TEM、XRD以及XPS对复合电极的表面进行了表征,并比较了不同复合电极在1 M KOH(PH 14)溶液中的电催化析氢性能,为实现低能耗、高效率电解水制氢提供了技术和理论支持。在本课题中,我们利用大气压介质阻挡放电(DBD)等离子体对泡沫镍进行表面预处理(PNF),大大提高了镍基体表面的微纳裂纹数,从而增加了基材的反应活性点,为后续制备高密度硫化镍创造了条件。扫描电子显微镜(SEM)分析发现,等离子体处理10 min后的NF表面生长了规整花朵状Ni_3S_2,花朵直径大约为2um,平均晶片厚度为25nm。在碱性溶液中电催化析氢测试结果表明,花朵形貌的PNF/Ni_3S_2析氢电极材料具有较好的电催化析氢活性和稳定性,起始过电位大概为-0.10 V(vs RHE)。当电流密度为100 mA cm-2时,所需要的过电位为-0.439 V(vs RHE)较NF、PNF要低的多,且从12 h的时间-电流(I-t)曲线和10000次CV循环极化曲线看,PNF/Ni_3S_2拥有较高的析氢稳定性。研究认为花朵形貌的PNF/Ni_3S_2的高催化活性和其优异的稳定性,主要是由于等离子体微丝细化了材料表面的微裂纹并形成一些微孔洞,有利于催化剂的附着和生长,使得电极材料的表面修饰层牢固强度增强。此外,花朵状的PNF/Ni_3S_2有效的增大了电极材料的表面粗糙度和电化学反应界面。为改善PNF/Ni_3S_2析氢性能,我们用CdS量子点修饰了 Ni_3S_2六面晶片,形成一种新的Ni_3S_2/CdS异质结析氢材料(PNF/Ni_3S_2/CdS)。从形貌表征来看,纳米级别的CdS颗粒均匀负载在花朵状PNF/Ni_3S_2复合电极材料表面。析氢结果显示,在电流密度为100mA cm-2所需要的过电位从-0.439 V(vs RHE)降到了-0.399(vsRHE),tafel曲线所对应的斜率从0.305 V decade-1降为0.272 V decade-1。12 h的时间-电流(I-t)对比曲线和10000次CV循环极化曲线几乎无明显波动,说明了 CdS纳米颗粒并未随着电化学反应而脱落导致析氢性能的降低,进一步说明PNF/Ni_3S_2/CdS是一种理想的阴极析氢材料,具有一定应用前景。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ116.2

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本文编号：1286668