纳米多孔Ni、Ni-Co合金的制备及其析氢催化性能的研究

摘要

随着煤炭、石油、天然气等不可再生能源的逐渐枯竭以及人们环保意识的逐渐加强，寻求一种可再生且环保的新能源显得尤为迫切。氢能作为一种可再生、清洁、高效的新能源被人们所普遍关注，氢气制备方法的探究越来越受到科研工作者的重视。目前，工业中成熟的制氢工艺是以雷尼镍、低碳钢为阴极材料的电解池体系，但这种阴极材料存在过电位高、长时间电解不稳定、耐蚀性低等缺点。为了降低电量损耗，节约能源，研究一种低析氢过电位的阴极材料刻不容缓。制约析氢过电位的因素有两方面，即能量因素和几何因素。本论文采用快速凝固及脱合金化的方法制备纳米多孔 Ni/GCE 及纳米多孔 Ni-Co/GCE 电极，通过 SEM、EDS、BET、TEM、XRD等手段对试样进行了表征，对比了不同成分前驱体合金脱合金化后所得电极在25 wt%的NaOH溶液中的析氢催化性能及稳定性。 1、脱合金化后的形貌与前驱体合金的相组成及Al含量有着密切的关系。分析不同Ni-Al合金的前驱体相组成：Ni30Al70由NiAl3及Ni2Al3两相组成，Ni25Al75由NiAl3单相构成，Ni20Al80、Ni15Al85、Ni10Al90、Ni5Al95均由Al和NiAl3两相构成。Ni30Al70其腐蚀机理为NiAl3和Ni2Al3相构成原电池体系，且发生着易腐蚀相NiAl3相与 NaOH 腐蚀液的反应。Ni25Al75由 NiAl3单相构成，不能构成原电池体系，仅为 NiAl3相与NaOH腐蚀液的化学反应。Ni20Al80、Ni15Al85、Ni10Al90、Ni5Al95四种合金相的组成相同，均由 Al和NiAl3两相构成，腐蚀机理也相同，Al 相和NiAl3 相构成原电池体系，两者之间发生着电子的转移进行协同腐蚀，同时进行着易腐蚀相 Al 相与 NaOH 腐蚀液发生的化学反应，完成整个脱合金化的过程。随着Al含量的增加，所得纳米多孔Ni的比表面积逐渐增大，而比表面积对析氢性能又有着重要的影响。 2、EDS 能谱显示七种 Ni-Co-Al 合金脱合金化前后 Ni、Co 比例没有发生变化。脱合金化后所得纳米多孔 Ni-Co 形貌差异较小，均为不规则网状结构， Ni3Co2Al95及Ni3.5Co1.5Al95所得骨架略厚，Co含量的变化并没有对形貌结构引起太大的变化；析氢性能显示 Ni2.5Co2.5Al95、Ni3Co2Al95所得纳米多孔 Ni-Co/GCE电极析氢过电位最低，即Co含量在40~60 wt%之间时，析氢催化性能较好，这与Ni-Co的协同作用有关，构成了电子的转移通道，进一步提高了电极的表观交换电流密度。 3.纳米多孔Ni、纳米多孔Co及纳米多孔 Ni-Co复合RuO2后，起始析氢电位分别正移了20 mV、20 mV和40 mV，因Ni、Co的协同作用导致纳米多孔Ni-Co正移幅度较前两者更大。三种电极材料经热处理复合 RuO2 之后结构更加稳定，具有高析氢催化性能的 RuO2同 Ni-Co 之间形成一种协同机制，提高了电极材料的析氢性能及稳定性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2氢能的优点

1.3氢气的制备

1.4析氢电极的研究现状

1.5本课题的研究意义及内容

第二章 实验材料及实验方法

2.1实验材料及设备

2.2材料制备

2.3材料的结构表征

2.4电化学测试

第三章 Al含量对纳米多孔Ni结构及其析氢催化性能的影响

3.1 引言

3.2 纳米多孔Ni/GCE电极的制备

3.3 结果与讨论

3.4 本章小节

第四章 Co含量对纳米多孔Ni-Co合金结构及析氢催化性能的影响

4.1 引言

4.2 纳米多孔Ni-Co/GCE电极的制备

4.3结果与讨论

4.4 本章小节

第五章 (Ni、Co、Ni-Co)/RuO2复合电极的制备及其析氢性能的研究

5.1 引言

5.2 纳米多孔(Ni、Co、Ni-Co)/RuO2电极的制备

5.3结果与讨论

5.4 本章小节

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文