Electroless deposition of Ni-Co-P alloy on 3D Printed Microarrays for efficient splitting of water

摘要

几十年来，化石燃料作为工业和家庭主要燃料来源，对全球环境产生了重大影响。这是由于在化石燃料的使用过程中存在有害物质的产生，如二氧化碳、一氧化碳，和一些含氮和含硫的气体。另外，化石燃料是不可再生能源，随着供应不断减少，其成本也在不断提高。与之相反的是，氢是一种环境友好、清洁、可再生的能源，且有希望成为化石燃料的替代品。目前为止，有一些方法被用于制氢，比如气体重整，尽管如此，人们仍在使用像甲烷这样的化石燃料。为了从水的分解中生产成本低且可持续的氢气，人们已经为高效且廉价的氢气生成反应(HER)付出了巨大的努力。电解水已被确定为最具潜力的制备可替代传统燃料来源之一。然而，到目前为止，还没有令人满意的催化剂来实现析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的高催化性能。贵金属Pt和RuO2或IrO2是目前对HER和OER效果最好的电催化剂。然而，这些催化剂是非常昂贵、稀缺的，且最终将被耗尽，阻碍了其广泛和有竞争力的应用。为了寻找高效的非贵金属催化剂，人们正致力于从价格低廉、用料丰富的稀土中合成高效催化剂。提高催化剂催化活性的一种可能途径是杂原子掺杂，如(Co1?NixFex)2P，NixFe2?xP，NixCox?xP等。在本论文中，提出构筑一种新型的双功能三维自支撑电催化剂电极结构用于电解水。由一个装载三元镍钴磷化物的聚合物三维平台组成，记作(NixCo2-xP@substrate)。首先，使用光敏树脂选择性固化(SLA)3D打印机打印三维电极，这种电极制造方法是为了解决传统的减法制造，如机械加工等问题。因为传统的减法制造无法实现打印复杂的体系结构，然而，我们希望得到更大的电化学活性表面积，所以采用SLA的方法来打印。然而，因SLA打印出的三维电极不导电，因此通过无电镀镍使其具有导电性。然后在三电极体系下对电极进行电沉积镍钴磷催化剂。实验结果表明，3D打印技术是一种很有前途的新方法，它可以实现最佳的电催化电极的制备，用于氢燃料生产中的水裂解，以取代化石燃料。此外，Ni-Co-P合金的协同性将带来更加高效的电水解性能，取代昂贵的贵金属材料，特别是铂基材料。该催化剂材料采用原位的电化学沉积，提高了电极的稳定性。因此，将3D打印电极技术与原位化学沉积法沉积Ni-Co-P合金相结合，可以为用裂解水制氢替代化石燃料制氢的方式带来长期解决方案。

目录

声明

Table of Major Chemical Symbols

Chapter 1. Introduction.

1.1 Introduction

1.2 Hydrogen Production Processes

1.2.1 Natural Gas Reforming/Gasification

1.2.2 Renewable Liquid Fuels Reforming

1.3 Hydrogen production through water electrolysis

1.3.1Theory of water electrolysis

1.3.2 Modeling of water electrolysis for hydrogen production

1.3.3 HER/Hydrogen Evolution Reaction; Splitting of water.

1.3.4 HER electrochemical activity parameters

1.4 Examples of production of hydrogen by water splitting electrolysis

1.4.1 Proton exchange membrane water electrolysis

1.4.2 Photoelectrolysis

1.5 Electroless Plating

1.5.1 Electroless Nickel (EN) plating

1.5.2 Historical view

1.5.3 Process

1.5.4 Characterization

1.5.5 Applications

1.6 Additive Manufacturing (3D Printing) Process

1.6.1 Different types of 3 D printing technology

1.6.2 Modeling

1.6.3 Stereo-lithography(SLA)

1.6.4 Printing

1.6.5 Finishing

1.6.6 Materials

1.6.7 Applications.

1.6.8 Qualities of SLA 3D printing of electrodes

1.6.9 3D Printed Architectures for high loading (of catalysts) accessible active sites in promotion of electro-catalytic performance for HER/OER-REDOX reactions

Chapter 2. Experiment Section

2.1 3D Printing/ Additive Manufacturing

2.2 E.N. (Electroless Nickel) Plating

2.3 Electro-Plating (Electrochemical deposition of Ni-Co-P) of substrates

2.4 Characterization

Chapter 3: Results

3.1 Characterization Results

3.2 Electrochemical measurement results

3.3 3D Printing prospects on electrocatalytic performance

3.4 General inferred reasons for the enhanced performance of the synthesized electrode

Chapter 4. Discussion

Chapter 5. Conclusions.

Conflict of Interest

致谢

参考文献