电化学法制备Fe-Co-Ni三元合金及其电催化特性研究

摘要

Fe-Co-Ni合金具有独特的物理、化学性能，作为功能材料在电催化、硬质合金、磁性材料等领域都有广泛应用。因此，研究Fe-Co-Ni合金电极材料的制备方法和合金组成、结构和形貌的影响因素规律具有重要意义。研究了电沉积法制备Fe-Co-Ni合金过程的特性，探讨了影响电沉积制得的Fe-Co-Ni合金组成、结构和形貌的因素，测定了不同制备条件下得到的Fe-Co-Ni合金在NaOH溶液中的析氢及析氧特性。
　　(1)电沉积制备Fe-Co-Ni合金过程特性研究
　　采用稳态极化法研究了电沉积制备Fe-Co-Ni合金过程的特性。电沉积制备单组分Fe、Co或Ni时，金属析出由易到难的顺序依次为Ni、Co、Fe;在Fe2+、Co2+、Ni2+共沉积时，出现了异常共沉积现象，单组份电沉积最容易析出的Ni在共沉积时比Fe和Co更难析出，Fe-Co-Ni合金析出过电位介于单组份沉积Fe和Ni的析出过电位之间，可以从简单盐溶液中形成共沉积得到Fe-Co-Ni合金。随着电解液中Fe2+、Co2+、Ni2+总浓度的增大、电解液pH的增大、操作温度的降低，Fe2+、Co2+和Ni2+共沉积析出过电位增大，相同电极电位下合金析出速率变慢;控制电解液中金属离子总浓度不变，随着Fe2+、Co2+浓度降低，合金析出过电位变小，相同电极电位下合金析出速率变快，而Ni2+浓度变化对Fe2+、Co2+、Ni2+共沉积析出过电位影响不大。
　　(2)电沉积制备Fe-Co-Ni合金组成及微观结构影响因素研究
　　采用恒电流电沉积制备Fe-Co-Ni合金，用能谱仪(EDS)测定了Fe-Co-Ni合金组成，用X-射线衍射仪(XRD)表征合金结构，采用扫描电子显微镜(SEM)观察合金微观形貌。探讨了Fe2+、Co2+、Ni2+的摩尔比、电解液pH、操作电流密度和操作温度对Fe-Co-Ni合金组成及微观结构的影响。结果表明:电沉积制备Fe-Co-Ni合金过程由传质过程和电化学反应过程串联步骤组成，当电沉积制备Fe-Co-Ni合金过程处于传质控制时所得到的合金的摩尔比组成与溶液中金属离子摩尔比相近;当电沉积过程处于反应控制时所得到的合金组成与溶液中金属离子摩尔比差别最大;当电沉积过程处于混合控制时所得到的合金组成与溶液中金属离子摩尔比处于两种极限情况之间。随着电解液中金属离子总浓度减小或操作电流密度增大，电沉积制备Fe-Co-Ni合金过程趋于传质控制，制备得到合金组成比例与电解液中金属离子组成比例越接近;随着电解液中金属离子总浓度增大或操作电流密度减小时，电沉积制备Fe-Co-Ni合金过程趋于反应控制，制备得到合金组成比例与电解液中金属离子摩尔比差别增大，制备得到的合金组成中Ni的含量比电解液中Ni含量低，Fe和Co的含量比电解液中高。反应控制过程中，调节电解液中Fe、Co、Ni某两组分摩尔比为1∶1，增大另一组分比例，则电沉积得到的合金中该组分也增加，但增加的量与电解液中该组分增加的量不成线性关系;随着操作电流密度增大或温度升高，则电沉积得到的合金中Fe含量增多，Co含量下降，Ni含量基本不变。
　　改变电解液组成对制得的合金晶体结构几乎没有影响，但合金的表面形貌会发生变化;随着操作电流密度增大，Fe-Co-Ni合金结构从面心立方结构向体心立方结构转化，合金表面变得粗糙;随着操作温度升高，Fe-Co-Ni合金结构从面心立方结构向体心立方结构转化，合金表面由平整致密变为稀疏多孔，且随温度升高颗粒变大。
　　(3)Fe-Co-Ni合金在NaOH溶液中的析氢及析氧特性研究
　　采用稳态极化法研究制得的Fe-Co-Ni合金在4.0mol·L-1NaOH溶液中析氢及析氧特性，结果表明:Fe-Co-Ni合金相对于单质的Fe、Co、Ni在4.0mol·L-1NaOH溶液氢氧化钠溶液中其析氢及析氧活性均会提高;分别增大电解液中Fe2+、Co2+和Ni2+含量，则Fe-Co-Ni合金析氢及析氧过电位都变小，但提高电解液中Co2+浓度制备得到的合金析氢及析氧活性提高更明显;随着温度升高、操作电流密度增大，Fe-Co-Ni合金析氢及析氧活性都明显降低。

目录

摘要

第一章 绪论

1．3 电沉积法制备Fe-Co-Ni合金

1．3．2 电沉积法制备Fe-Co-Ni合金过电位影响因素

1．4 电沉积制备合金材料的研究进展

1．5 本文的研究内容及意义

第二章 电沉积制备Fe-Co-Ni合金过程的特性研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂及药品

2．2．2 实验仪器

2．2．3 电沉积过程特性研究方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同金属离子电沉积过程稳态极化曲线

2．3．2 电沉积制备Fe-Co-Ni合金过程影响因素研究

2．4 本章小结

第三章 Fe-Co-Ni合金的组成及微观结构研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验药品

3．2．2 实验仪器

3．2．4 Fe-Co-Ni合金组成及微观结构的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 电沉积条件对Fe-Co-Ni合金组成的影响

3．3．2 电沉积条件对Fe-Co-Ni合金结构的影响

3．3．3 电沉积条件对Fe-Co-Ni合金微观形貌的影响

3．4 本章小结

第四章 电沉积制得Fe-Co-Ni合金的析氢及析氧特性研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验药品

4．2．2 实验仪器

4．2．4 Fe-Co-Ni合金在NaOH溶液中析氢及析氧特性的测定

4．3 结果与讨论

4．3．1 电沉积制备的Fe-Co-Ni合金在NaOH溶液中析氧特性

4．3．2 电沉积制备的Fe-Co-Ni合金在NaOH溶液中析氢特性

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

发表的论文与专利

致谢

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