碱性水电解析氢复合阴极的制备与研究

【摘要】：氢能作为一种清洁能源在环境污染日益严重的今天得到了社会各界广泛的关注，在目前诸多制氢技术中碱性水电解制氢技术工业化时间早，是技术最成熟的利用可再生资源的制氢技术。但是由于碱性水电解制氢技术的能量利用率低，高能耗成为制约此技术的关键。 对阴极进行表面修饰可以降低电极反应的析氢过电位，是提高碱性水电解技术能量利用率的有效方法之一。复合电沉积技术可以在电极表面沉积高析氢活性的物质并增大电极的真实表面积，此两者均对降低电极的析氢过电位有重要作用。 在复合电沉积制备析氢活性阴极的研究中，学者往往更多的考虑电极表面积增大对电极析氢性能的影响和所沉积颗粒发挥的析氢催化作用，并没有应用较早的高活性析氢合金涂层电极的研究成果。本文将复合电沉积技术与高析氢活性的Ni-S合金相结合，以镍箔或泡沫镍为基体分步沉积出Ni-S/Ni-S-Mo电极和Ni-S/Ni-MoS_2电极，通过实验分析了沉积液成份、微粒尺寸及沉积工艺条件和方法等对电极性能的影响，并研究了中间层结构在电极中所起到的作用。 实验结果表明，对于Ni-S/Ni-S-Mo电极，当Ni-S沉积液中硫脲浓度为25g·L~（-1），Ni-S-Mo沉积液中硫脲浓度为25g·L~（-1），Mo颗粒浓度为8g·L~（-1），硫酸镍浓度为1000g·L~（-1）时所制电极的综合性能最好。Ni-S中间层可以提高电极的稳定性。而使用较小粒度的Mo颗粒则有利于提高电极的性能。Ni-S/Ni-S-Mo泡沫镍电极的最佳电沉积工艺为Ni-S电沉积阶段电流密度采用30mA·cm~（-2），电沉积时间为10min，Ni-S-Mo电沉积阶段电流密度采用50mA·cm~（-2），电沉积时间为30min，沉积液温度采用40℃。对于Ni-S/Ni-MoS_2泡沫镍电极，其最佳制备工艺条件是Ni-S电沉积阶段电流密度采用24mA·cm~（-2），电沉积时间为15min，Ni-MoS_2电沉积阶段电流密度采用32mA·cm~（-2），电沉积时间为45min，沉积液温度采用40℃。 将本实验所制Ni-S/Ni-S-Mo电极和Ni-S/Ni-MoS_2电极与采用工业配方所制的Ni-S-Mo三元合金涂层电极做了稳定性电解试验，经对比发现Ni-S/Ni-S-Mo电极和Ni-S/Ni-MoS_2电极的稳定性均明显优于工业配方所制的Ni-S-Mo三元合金涂层电极。 【关键词】：析氢过电位 活性阴极 复合电沉积 水电解制氢
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ116.21
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-9
• 第一章 文献综述9-28
• 1.1 氢能与制氢技术9-10
• 1.2 水电解制氢10-15
• 1.2.1 水电解制氢技术的发展历史10-11
• 1.2.2 水电解制氢技术的发展现状11-13
• 1.2.3 其他几种水解离制氢技术13-15
• 1.3 几种制氢技术的比较15-16
• 1.4 碱性水电解制氢技术的研究方向16-24
• 1.4.1 碱性水电解过程电阻分析16
• 1.4.2 电解槽的研究现状16-18
• 1.4.3 隔膜的研究现状18
• 1.4.4 电极的研究现状18-24
• 1.5 析氢合金材料制备方法与复合电沉积24-26
• 1.5.1 析氢合金材料制备方法简述24-25
• 1.5.2 复合电沉积25-26
• 1.6 本课题的研究意义与主要研究内容26-28
• 1.6.1 研究意义26-27
• 1.6.2 主要研究内容27-28
• 第二章 实验方法28-36
• 2.1 实验药品与实验仪器28-29
• 2.1.1 实验药品与化学试剂28-29
• 2.1.2 实验仪器29
• 2.2 电极的制备29-31
• 2.2.1 电极基体的选择与预处理29-31
• 2.2.2 电极活性层的复合电沉积31
• 2.3 测试参数与测试方法31-36
• 2.3.1 沉积层质量31-32
• 2.3.2 极化曲线与析氢过电位32-33
• 2.3.3 电化学参数33-34
• 2.3.4 循环伏安曲线34
• 2.3.5 电化学活性表面积与电化学孔隙率34-35
• 2.3.6 表面形貌与元素含量35-36
• 第三章 Ni-S/Ni-S-Mo 活性阴极的制备与研究36-70
• 3.1 析氢机理36-37
• 3.2 Ni-S/Ni-S-Mo 电极的制备37-39
• 3.2.1 Ni-S/Ni-S-Mo 电极的电沉积37-38
• 3.2.2 Ni-S/Ni-S-Mo 电极的预电解38-39
• 3.3 沉积液各组份浓度对电极析氢性能的影响39-50
• 3.3.1 Ni-S 层 S 源浓度39-41
• 3.3.2 Ni-S-Mo 层 S 源浓度41-45
• 3.3.3 Ni-S-Mo 层 Mo 颗粒浓度45-48
• 3.3.4 Ni-S-Mo 层 NiSO_4浓度48-50
• 3.4 电流密度对电极析氢性能的影响50-52
• 3.5 Ni-S 层对电极性能的影响52-54
• 3.6 Mo 颗粒尺寸对电极性能的影响54-57
• 3.7 脉冲电沉积法对电极性能的影响57-59
• 3.8 泡沫镍电极电沉积工艺条件的优化59-70
• 3.8.1 Ni-S 层电流密度60-61
• 3.8.2 Ni-S 层电沉积时间61-63
• 3.8.3 Ni-S-Mo 层电流密度63-65
• 3.8.4 Ni-S-Mo 层电沉积时间65-66
• 3.8.5 沉积液温度66-70
• 第四章 Ni-S/Ni-MoS_2活性阴极的制备与研究70-80
• 4.1 Ni-S/Ni-MoS_2活性阴极的制备70-71
• 4.2 Ni-S/Ni-MoS_2电极电沉积工艺条件的优化71-80
• 4.2.1 Ni-S 层71-74
• 4.2.2 Ni-MoS_2层74-78
• 4.2.3 沉积液温度78-80
• 第五章 电极稳定性试验80-83
• 5.1 工业 Ni-S-Mo 电极的制备80-81
• 5.2 活性阴极的稳定性试验81-83
• 第六章 结论83-84
• 参考文献84-94
• 发表论文和参加科研情况说明94-95
• 致谢95

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