Ni-p-TiO2复合镀层的制备及其电催化甲醇和乙醇氧化的研究

摘要

本文主要研究将TiO2颗粒加入Ni-P化学镀镀液中，采用化学共沉积技术使TiO2与Ni-P共沉积在铜片基材表面形成Ni-P-TiO2化学复合镀层，对Ni-P-TiO2化学复合镀层的工艺参数和电催化氧化甲醇、乙醇等性能进行研究。
　　 在工艺方面，通过单因素实验方法，确定了Ni-P-TiO2化学复合镀的影响因素，即主盐浓度、TiO2的加入量、表面活性剂、稳定剂及各工艺条件如搅拌速度、pH值、镀液温度、施镀时间，确定了如下工艺条件：温度85～90℃，镀液pH为5.0，施镀时间60min，搅拌速度200～250r/min。以镍盐(NiSO4·6H2O)、还原剂(NaH2PO4·H2O)、络合剂(C6H8O7)和缓冲剂(NaOOCCH2CH2COONa)为因素的四因素三水平的正交试验。根据镀速和镀层中的Ti含量研究得出了Ni-P-TiO2化学复合沉积优化后工艺参数为：30g/LNiSO4·6H2O(镍盐)，30g/L NaH2PO2·H2O(还原剂)，8ml/L C3H6O3(络合剂1)，3g/LC6H8O7·H2O(络合剂2)，4.5g/L CH3COONa(缓冲剂1)，7g/L NaOOCH2CH2COONa(缓冲剂2)，2mg/L CH4N2S(稳定剂)，0.15g/L C18H29SO3Na(表面活性剂)。
　　 利用XRD、SEM、EDS和电化学工作站等方法对Ni-P-TiO2复合镀层的组织结构、表面形貌、镀层成分及耐蚀性能等进行表征，并检测了镀层的结合力及比表面积等性能。实验结果表明：TiO2颗粒与Ni-P镀层实现共沉积形成Ni-P-TiO2化学复合镀层，镀层中的TiO2颗粒均匀分散于整个镀层表面。与Ni-P镀层相比，TiO2的加入增大了复合镀层的比表面积。在Ni-P-TiO2化学复合镀层的XRD谱图中，出现了TiO2特征峰，这说明复合镀层中存在TiO2。在结合力方面，采用急冷和应力弯曲实验测出Ni-P镀层和Ni-P-TiO2复合镀层具有良好的结合力。在耐蚀性方面，采用Tafel实验测出在5％H2SO4溶液中，Ni-P-TiO2复合镀层的耐腐蚀性比Ni-P镀层差；而Ni-P-TiO2复合镀层耐蚀性随着镀层中Ti含量的增多而增强。
　　 采用循环伏安技术、线性伏安扫描法、交流阻抗法及计时电流法对Ni-P-TiO2化学复合镀层的电催化氧化活性进行研究，结果表明：Ni-P-TiO2电极b3(w(镀层中Ti含量)=19.35％)在1mol/L KOH溶液中的电化学氧化还原过程是一个可逆过程且电极反应在Ni(OH)2/NiOOH之间进行。Ni-P-TiO2电极b3对甲醇、乙醇具有优良的电催化氧化性能。通过测定稳态极化曲线计算出Ni-P-TiO2电极b3上甲醇、乙醇的电催化氧化动力学参数。Ni-P-TiO2电极上Ni(Ⅱ)氧化起始电位和氧化峰电位低于Ni-P电极，表明Ni-P-TiO2电极的电催化活性比Ni-P电极的高。Ni-P-TiO2电极电催化氧化的活性随镀层中TiO2量的不同而不同，Ni-P-TiO2电极b3的电催化活性最优。