基于Rh17S15的催化剂在盐酸电解中的电化学性能研究及应用

摘要

化工产业产生的副产盐酸可以电解生成高价值的氯气，因此被人们一直关注，为了降低电解的成本，节约能源，气体扩散电极被应用于盐酸电解，当气体扩散电极作为氧去极化阴极替代原来的固体石墨阴极时，电解槽电压可以降低1V左右，也就意味着电解所需电耗将大幅下降，但是气体扩散电解所需的催化剂问题也随之而来，在盐酸电解中，催化剂所处的是一个高度腐蚀的复杂环境，传统的铂等贵金属催化剂因容易催化剂中毒和被溶解等缺陷，被认为不能在盐酸电解中应用，而RhxSy催化剂以其在盐酸中优异的稳定性被认为是盐酸电解催化剂的首选。但是RhxSy催化剂也存在催化活性不高的缺点， 经过对RhxSy催化剂进行分析发现，RhxSy催化剂是由混相组成，其中Rh17S15催化活性最高，因此本文以Rh17S15为基础进行了研究。首先以RhCl3·3H2O为铑源，以(NH4)2S2O3为硫源，以NaBH4为还原剂，以酸化Vulcan XC-72炭黑为载体，采用液相沉淀法制备出了纯相的Rh17S15/C催化剂;然后分别改变(NH4)2S2O3和NaBH4的加入量，制备出了三种不同Rh17S15含量的Rh-Rh17S15/C的催化剂，通过XRD计算得出Rh17S15含量分别为51.73％、61.63％和82.17％。然后相似的以酸化碳管为载体，制备出了Rh17S15/CNT催化剂。扫描电子显微镜扫描分析和透射电子显微镜扫描分析显示，催化剂在载体上分布都较为均匀;循环伏安、旋转圆盘和交流阻抗测试显示，Rh17S15含量为82.17％的Rh-Rh17S15/C的催化剂催化活性最好;500圈循环伏安扫描测试显示纯相盐酸Rh17S15/C催化剂在盐酸中最稳定;在添加甲醇的盐酸中的旋转圆盘测试显示，纯相的Rh17S15/C催化剂和Rh17S15/CNT催化剂对甲醇最不敏感;循环伏安和旋转圆盘测试比较显示，Rh17S15/CNT催化剂比Rh17S15/C催化剂的催化活性有一定的提升。 最后本文以Rh17S15/C为催化剂，以碳布为基底，制备了应用于盐酸电解阴极的气体扩散电极。通过扫描电子显微镜扫描和循环伏安测试等手段确定了气体扩散电极的扩散层和催化层浆料配方以及电极的制作流程;通过扫描电子显微镜扫描测试、电化学测试、接触角测试和压汞测试对制备的电极进行了测试;然后在模拟工况盐酸电解槽中对电极进行了连续运行和停车测试，测试结果显示电极在测试中一直非常稳定。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1．研究背景与意义

1．2．碳载RhxSy催化剂的概况

1．3．碳载Rh17S15催化剂的制备

1．3．1．碳材料的预处理

1．3．2．碳载Rh17S15催化剂的制备方法

1．4．碳载Rh17S15催化剂在盐酸电解中的应用

1．4．1．气体扩散电极的简介

1．4．2．碳载Rh17S15催化剂气体扩散电极的简介

1．4．3．碳载Rh17S15催化剂气体扩散电极在盐酸电解中的应用

1．5．本论文课题的选题立意、研究内容及创新点

1．5．1．选题立意

1．5．2．研究内容和方案

1．5．3．创新点

第二章 实验部分

2．1．实验药品、材料和仪器设备

2．2．碳载Rh17S15催化剂的制备

2．3．基于Rh17S15／C催化剂的气体扩散电极的制作

2．4．碳载Rh17S15催化剂以及气体扩散电极的物性表征

2．5．碳载Rh17S15催化剂的电化学测试

2．5．1．测试用工作电极的制备

2．5．2．碳载Rh17S15催化剂电化学测试

2．6．气体扩散电极在盐酸中的电化学测试

2．6．1．测试装置简介

2．6．2．气体扩散电极的电化学测试

第三章 Rh-Rh17S15／C催化剂的制备和表征

3．1 引言

3．2 实验过程

3．2．1 Rh-Rh17S15／C催化剂的制备

3．2．2 Rh-Rh17S15／C催化剂的表征

3．3 Rh-Rh17S15／C催化剂的物性分析

3．3．1 X射线衍射分析

3．3．2 热重分析

3．3．3 表面形貌分析

3．4 Rh-Rh17S15／C催化剂的电化学测试与分析

3．4．1 循环伏安测试与分析

3．4．2 旋转圆盘测试与分析

3．4．3 交流阻抗测试与分析

3．5 Rh-Rh17S15／C催化剂在盐酸中的稳定性测试与分析

3．5．1 测试过程

3．5．2 测试结果与分析

3．6 Rh-Rh17S15／C催化剂在盐酸中的甲醇敏感性测试与分析

3．6．1 测试过程

3．6．2 测试结果与分析

3．7 本章小结

第四章 Rh17S15／CNT催化剂的制备和表征

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．1 Rh17S15／CNT催化剂的制备

4．2．2 Rh17S15／CNT催化剂的表征

4．3 Rh17S15／CNT催化剂的物性分析

4．3．1 X射线衍射分析

4．3．2 热重分析

4．3．3 表面形貌分析

4．4 Rh17S15／CNT和Rh17S15／C催化剂的电化学测试与比较

4．4．1 循环伏安测试与比较

4．4．2 旋转圆盘测试与比较

4．5 Rh17S15／CNT催化剂在盐酸中的稳定性测试与分析

4．5．1 测试过程

4．5．2 测试结果与分析

4．6 Rh17S15／CNT催化剂在盐酸中的甲醇敏感性测试与分析

4．6．1 测试过程

4．6．2 测试结果与分析

4．7 本章小结

第五章 基于Rh17S15／C的气体扩散电极的制备和表征

5．1 引言

5．2 气体扩散电极的制备

5．2．1 电极基底简介

5．2．2 电极催化层浆料的配制

5．2．3 电极扩散层浆料的配制

5．2．4 电极制备流程

5．3 气体扩散电极的物性分析

5．3．1 X射线衍射分析

5．3．2 表面形貌分析

5．3．3 接触角分析

5．3．4 孔径分析

5．3．5 催化剂负载量分析

5．4 气体扩散电极的电化学测试与分析

5．4．1 循环伏安测试与分析

5．4．2 计时电位测试与分析

5．5 模拟工况测试与分析

5．5．1 模拟工况测试系统简介

5．5．2 测试结果与分析

5．6 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及已发表的学术论文

作者及导师简介