碱性水电解析氢活性阴极的研究

【摘要】：在当前的制氢工业生产中，碱性水电解技术工业化早、技术成熟、设备成本低，但因为其能耗较高，限制了它的应用规模。降低能耗最有效的手段之一是制备出电催化活性高、寿命长的活性阴极。 在碱性水电解制氢电极的制备过程中，通过对金属电极极板表面进行电镀，将普通的金属电极制备为复合合金电极，可以降低极板的析氢过电位，进而使水电解制氢过程的能耗降低。 本文中采用分层电沉积法制备Ni-Mo-S三元合金电极，并通过实验分析了电极制备过程中硫源含量、钼源含量、Ni-S电镀电流密度、Ni-Mo电镀电流密度和电镀液温度对电极活性的影响。结果表明，Ni-S电镀阶段的硫源含量和电流密度的改变，相对于Ni-Mo电镀阶段的钼源含量和电流密度的改变，对电极的析氢过电位影响更大。本实验条件下适宜电镀条件为硫脲在电镀液中含量30g L-1，钼酸钠在电镀液中含量25g L-1，Ni-S电镀电流密度24mAcm-2，Ni-Mo电镀电流密度24mAcm-2，电镀液适宜温度为40°C。 Ni-Mo-S电极的析氢活性很高，但是长期电解实验显示其镀层容易脱落，槽电压持续升高。为找到电催化活性高且寿命长的新型阴极，本文分别考察了Ni-S-Zn、Ni-P-S和Ni-P-Zn电极，发现Ni-P-Zn-40°C阴极在长期电解测试中槽电压较低而且相对平稳。进一步研究表明本实验条件下Ni-S-Zn电极的适宜制备条件为Ni-S阶段电沉积电流密度24mA cm-2，Ni-Zn电沉积阶段电流密度24mAcm-2，Ni-S电镀液中硫源硫脲30g L-1，Ni-Zn电镀液中锌源氯化锌10g L-1，分层电镀液温度为40°C。 实验结果表明，跟Ni-Mo-S电极相比，新型复合电极Ni-S-Zn综合性能更好，它不仅能维持较高的电催化活性，在长期操作稳定性上要更胜一筹。 【关键词】：三元合金 电极极化曲线 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】：2013
【分类号】：TQ116.21
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-6
• 目录6-8
• 第一章 文献综述8-25
• 1.1 引言8
• 1.2 水电解发展历史和技术创新8-13
• 1.2.1 水电解发展历史8-11
• 1.2.2 最近的技术创新11-13
• 1.3 水电解过程13-15
• 1.3.1 水电解过程13-14
• 1.3.2 水电解槽内电路模拟14-15
• 1.4 电极动力学15-18
• 1.5 电极的材料与电极制备方法18-19
• 1.5.1 电极材料的发展18-19
• 1.5.2 电极制备方法19
• 1.6 研究趋势19-23
• 1.6.1 电极19-20
• 1.6.2 电催化剂20-22
• 1.6.3 电解质和添加剂22
• 1.6.4 气泡管理22-23
• 1.7 本文研究意义及内容23-25
• 1.7.1 研究意义23
• 1.7.2 研究内容23-25
• 第二章 实验方案与方法25-33
• 2.1 实验方案设计25-27
• 2.1.1 电极基体预处理25
• 2.1.2 电极基体的电沉积25-26
• 2.1.3 电镀配方与工艺26-27
• 2.2 实验设备与测量仪器27-29
• 2.3 阴极过电位测试29-31
• 2.3.1 阴极析氢过电位29
• 2.3.2 平衡电极电位的测量29-30
• 2.3.3 过电位的测量30-31
• 2.4 循环伏安曲线31-32
• 2.5 电化学参数分析32-33
• 第三章 Ni-Mo-S 活性阴极的实验研究33-54
• 3.1 活性阴极的析氢机理研究33-38
• 3.1.1 Ni-S 合金阴极的研究33-34
• 3.1.2 吸附和脱附理论34-36
• 3.1.3 析氢机理的电子理论研究36-37
• 3.1.4 活性阴极失活的原因及改善方式37-38
• 3.2 Ni-Mo-S 活性阴极的催化析氢性能38-52
• 3.2.1 电催化电极的要求及活性阴极基体的选择38-39
• 3.2.2 活性阴极基体的预处理以及电极制备39-40
• 3.2.3 电沉积工艺对电极表面的影响40-52
• 3.3 Ni-Mo-S 电极稳定性测试52-54
• 第四章 新型复合电极的研究54-72
• 4.1 新型复合电极的制备与研究54-60
• 4.1.1 复合镀层的制备54-55
• 4.1.2 电极预电解对其表面和性能的影响55-57
• 4.1.3 电极电催化性能的研究57-60
• 4.2 Ni-S-Zn 活性阴极的催化析氢性能60-71
• 4.2.1 Ni-S 阶段电流密度对活性阴极催化析氢性能的影响61-63
• 4.2.2 Ni-Zn 阶段电流密度对活性阴极催化析氢性能的影响63-65
• 4.2.3 Ni-S 阶段硫源浓度对活性阴极催化析氢性能的影响65-67
• 4.2.4 Ni-Zn 阶段锌源浓度对活性阴极催化析氢性能的影响67-69
• 4.2.5 电沉积温度对活性阴极催化析氢性能的影响69-71
• 4.3 Ni -S-Zn 电极与 Ni-Mo-S 电极的比较71-72
• 第五章 结论72-73
• 参考文献73-82
• 发表论文和参加科研情况说明82-83
• 致谢83

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