NI-Mo-Cu三元合金的电化学制备及其析氢催化性能的研究

摘要

氢能源室未来清洁能源的理想选择，碱性电解水制氢法是大规模工业化制备氢气的重要方法。那么研究开发具有更低析氢过电位和高析氢催化活性的新型的阴极电极材料成为解决目前电解水工业上存在的能耗大效率低的问题的重要手段。目前，Ni-Mo合金被证明是碱性溶液中电解水析氢催化活性最好的二元合金。本研究以Ni基二元合金为基础，通过电沉积方法制备Ni-Mo-Cu三元合金，以期通过三种合金元素之间的协同作用，获得高析氢催化活性的电极材料。
　　本文首先探索了恒电流电沉积法制备Ni-Mo-Cu三元合金的最佳电沉积制备工艺，考察了电镀液中铜盐浓度，电沉积电流密度，电镀液pH值和电沉积温度对Ni-Mo-Cu三元合金镀层组成、三种合金元素在镀层中的化学存在状态、表面形貌和析氢催化活性的影响。最后通过最优化条件制备的Ni-Mo-Cu三元合金在碱性溶液中的稳态极化曲线，塔菲尔曲线和交流阻抗谱测定，研究了合金在析氢反应过程中的电化学性能和析氢催化动力学行为。得到结论如下:
　　(1)电沉积制备条件以及电镀液中的离子浓度对Ni-Mo-Cu合金镀层的表面形貌，成分以及电解析氢性能都有很大的影响。实验结果表明，Ni-Mo-Cu三元合金的最佳制备工艺条件为:电镀液中Ni、Cu元素的摩尔比例为25∶1，电沉积电流密度为50mA/cm2，pH=8-9，T=25℃，电沉积过程时间为1.5h，在整个电沉积过程中都伴随着磁力搅拌。
　　(2)最佳制备工艺条件下制备的Ni-Mo-Cu合金镀层为非晶态结构，晶粒尺寸细小为纳米级，镀层厚度大约为9μm。镀层表面呈现一种典型的表面粗糙的“菜花状”形貌。镀层中Ni、Mo、Cu三种元素所占的原子比分别为48％，15.6％和36.4％。
　　(3)在Ni-Mo合金中加入Cu元素对于合金的析氢催化活性有非常明显的促进作用，相比于Ni-Mo二元合金，三元合金具有更低的析氢过电位，较低的析氢反应活化能以及更高的析氢反应交换电流密度和良好的电化学稳定性。三元合金的析氢起始电位为-1.05V(vsHg/HgO)，析氢反应活化能为21KJ/mol，析氢反应交换电流密度为12.6mA/cm2。
　　(4)Ni-Mo-Cu三元合金的析氢催化活性的提高一方面是因为Cu元素的加入改变了合金表面的形貌，使得合金的真实比表面积大大增加，增加了析氢反应的活化中心;另一方面，三元合金中的三种金属之间产生了金属间的协同作用，提高了合金本征的析氢催化能力。
　　(5)由交流阻抗图谱的分析结果和通过Tafel曲线所得的析氢反应动力学参数表明:该三元合金电极进行的是一个纯的由动力学因素控制的反应，电化学脱附是析氢反应的主要控制步骤。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 氢能源概述

1．2 氢气的制备

1．2．1 制备氢气的主要方法

1．2．2 电解水制氢

1．3 碱性电解水析氢催化材料

1．3．1 多孔镍析氢催化电极

1．3．2 镍基合金电极

1．3．3 复合镍基电极

1．4 阴极析氢反应过程

1．4．1 氢离子在阴极上的还原过程

1．4．2 析氢过电位及其影响因素

1．4．3 析氢反应过程的机理

1．5 金属的电沉积过程

1．5．1 金属电沉积的基本历程

1．5．2 电沉积法制备合金的条件及其分类

1．6 本课题的研究意义、选题思路与研究内容

1．6．1 本课题的研究意义

1．6．2 本课题的选题思路

1．6．3 本课题的研究内容

2 实验部分

2．1 实验仪器与药品

2．1．1 主要的实验仪器

2．1．2 主要实验试剂

2．2 电极预处理流程

2．2．1 实验装置

2．2．2 电极预处理流程

2．3 电镀液的组成与电沉积工艺参数

2．3．1 电镀液的组成

2．3．2 电沉积工艺参数研究

2．4 Ni-Mo-Cu合金镀层的分析与表征

2．4．1 Ni-Mo-Cu合金镀层的成分分析

2．4．2 Ni-Mo-Cu合金镀层的表面形貌分析

2．4．3 Ni-Mo-Cu合金镀层的XRD图谱分析

2．4．4 Ni-Mo-Cu合金镀层的XPS图谱分析

2．5 Ni-Mo-Cu合金电极的电化学性能测试

2．5．1 三电极测量体系

2．5．2 电化学测试仪器

2．5．3 电化学实验测试参数

3 Ni-Mo-Cu三元合金镀层的制备工艺研究

3．1 电镀液中铜盐含量对合金镀层析氢性能的影响

3．1．1 不同铜浓度对合金镀层电化学析氢催化活性的影响

3．1．2 不同铜浓度制备出的合金镀层分析

3．1．3 最佳电镀液的配方

3．2 电沉积电流密度对合金镀层析氢催化性能的影响

3．3 电沉积温度对合金镀层析氢催化性能的影响

3．4 电镀液pH值对合金析氢催化性能的影响

3．5 制备Ni-Mo-Cu三元合金镀层的最优化工艺

3．6 本章小节

4 Ni-Mo-Cu三元合金镀层分析及其电化学性能的表征

4．1 Ni-Mo-Cu三元合金镀层分析

4．1．1 Ni-Mo-Cu三元合金镀层表面形貌分析

4．1．2 Ni-Mo-Cu三元合金镀层成分分析

4．1．3 Ni-Mo-Cu三元合金镀层晶体结构分析

4．1．4 Ni-Mo-Cu三元合金镀层XPS分析

4．2 在Ni-Mo-Cu三元合金镀层电极上的电化学析氢反应

4．3 Ni-Mo-Cu三元合金的电化学交流阻抗分析

4．4 电解质对Ni-Mo-Cu三元合金镀层电化学性能的影响

4．4．1 电解质浓度的影响

4．4．2 电解质温度的影响

4．5 Ni-Mo-Cu三元合金的电化学稳定性研究

4．6 Ni-Mo-Cu三元合金的析氢反应机理研究

4．7 本章小节

5 结论

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果目录

致谢