碱性水电解活性阳极材料的制备与电化学性能的研究

【摘要】： 在碱性水电解制氢工业中,水电解过程中较高的析氧过电位是造成高能耗的一个主要原因,因此如何降低析氧过电位就成为水电解制氢领域研究的热点问题之一。目前解决析氧过电位过高的方法主要有以下三种:(1)提高水电解温度;(2)增加电化学活性表面积;(3)采用新型阳极活性材料。水电解温度过高容易造成电极材料和制氢设备的腐蚀,电极材料活性表面积的增加也是非常有限,因此选择高催化活性的电极材料就成为解决析氧过电位过高的最佳途径。本论文就新型高催化活性电极材料的制备与应用展开了研究,论文主要研究结果如下: 1.以泡沫镍为基体材料,将其浸入0.375M镍钴硝酸盐溶液中(镍钴离子比为1/2),反复浸涂并于300℃～350℃之间热处理7次,制备出在碱性水溶液中具有高析氧活性的镍钴复合氧化物膜电极。同样,将泡沫镍基体材料浸入0.25M镍镧硝酸盐溶液中(镍镧离子比为1/1),反复浸涂并于550℃～600℃之间热处理8次,制备出在碱性水溶液中具有高析氧活性的镍镧复合氧化物膜电极,并深入研究了这两种复合氧化物膜电极材料的制备工艺和电化学性能。XRD分析表明在300℃～350℃热处理得到的镍钴复合氧化物膜为尖晶石结构的NiCo2O4,而在550℃～600℃热处理得到的镍镧复合氧化物膜则为具有钙钛矿型结构的LaNiO3。两种氧化物膜电极在25℃、30% KOH溶液中电流密度为5000A/m2时的析氧过电位比泡沫镍电极分别低约130mV和200mV。在小型工业水电解装置中,制备的泡沫镍/LaNiO3电极材料在85℃、30% KOH溶液中,电流密度为5000A/m2时电解槽槽压比泡沫镍低约250mV,节省电能10%以上。 2.采用沉淀-沉淀转换-热处理的方法制备了镍钴复合氧化物NiCo2O4粉末,zeta粒径分析仪及扫描电镜(SEM)分析表明,该粉末的平均粒径约为28.3nm,粒径范围为20～100nm,并详细的研究了转换温度、沉淀转换剂及浓度、阻聚剂和热处理温度等实验参数对NiCo2O4纳米粉末粒径和结构的影响,并得出最优化工艺条件。 最优化的工艺条件为:反应物总浓度为0.75M,沉淀转换温度为70℃,用吐温-80作阻聚剂(1.0ml/L),沉淀转换剂NaOH浓度为0.05～0.1M,热处理温度为260℃～300℃。 3.采用电化学沉积方法制备出Ni/NiCo2O4粉末复合镀层电极,研究了阴极电流密度Dk、NiCo2O4微粒在镀液中的分散量和表面活性剂等因素对NiCo2O4粉末微粒共析量的影响。阳极极化曲线研究表明Ni/NiCo2O4粉末复合镀层电极的催化活性明显优于Ni,并且电极的析氧催化活性随镀层中NiCo2O4微粒含量的增加而提高,在25℃、30% KOH溶液中,电流密度为5000A/m2时析氧过电位比Ni降低了约190mV。 【关键词】：电解水 析氧过电位 电催化 镍钴氧化物 热分解 复合镀
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TQ116.21
【目录】：

• 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-25
• 1.1 工业化碱性水电解制氢的发展与现状12-13
• 1.2 水电解制氢设备的发展13-14
• 1.3 碱性水电解电极材料的要求14
• 1.4 碱性水电解阴极材料的研究14-15
• 1.5 碱性水电解阳极材料的研究15-21
• 1.5.1 金属与合金材料15-16
• 1.5.2 贵金属氧化物16
• 1.5.3 Co_3O_4 氧化物16-17
• 1.5.4 AB_2O_4 型尖晶石型氧化物17-19
• 1.5.4.1 金属盐水溶液热处理法18
• 1.5.4.2 冷冻→真空分解→空气中热处理法18-19
• 1.5.4.3 阳极电沉积法19
• 1.5.5 ABO_3 钙钛矿型氧化物19-20
• 1.5.6 复合镀层膜电极20-21
• 1.6 金属氧化物析氧活性理论21-22
• 1.7 课题的研究意义与内容22-25
• 第2章 泡沫镍/NiCo_2O_4和泡沫镍/LaNiO_3 氧化物膜电极的制备与电化学性能的研究25-36
• 2.1 前言25
• 2.2 试验方案25-26
• 2.3 实验部分26-29
• 2.3.1 仪器与试剂26
• 2.3.2 电极的制备26-27
• 2.3.3 氧化物膜电极的结构分析27
• 2.3.4 氧化物膜电极的电化学性能测试27-28
• 2.3.5 电解池槽压的测定28-29
• 2.4 结果与讨论29-34
• 2.4.1 热处理温度对氧化物膜结构的影响29-30
• 2.4.2 涂膜次数对电解池槽压的影响30-31
• 2.4.3 碱液浓度对电解池槽压的影响31
• 2.4.4 氧化物膜电极的稳态极化曲线31-33
• 2.4.5 电极材料的循环伏安曲线33
• 2.4.6 电极材料水电解的稳定性33-34
• 2.5 小结34-36
• 第3章 纳米NiCo_2O_4氧化物粉末的制备与结构表征36-43
• 3.1 前言36
• 3.2 实验部分36-38
• 3.2.1 实验方案36-37
• 3.2.2 镍钴复合氧化物粉末制备的基本原理37
• 3.2.3 仪器与化学试剂37-38
• 3.2.4 镍钴复合氧化物粉末的制备38
• 3.3 结果与讨论38-42
• 3.3.1 反应物总度对粉末粒径的影响38-39
• 3.3.2 沉淀转换温度的选择39
• 3.3.3 沉淀转换剂及浓度和阻聚剂对粉末粒径的影响39-40
• 3.3.4 热处理温度对粉末结构的影响40-41
• 3.3.5 复合氧化物粉末的表面形貌41
• 3.3.6 阻聚剂或分散剂对粉末粒径的影响41-42
• 3.4 小结42-43
• 第4章 Ni/NiCo_2O_4 复合镀层的制备与其析氧催化活性的研究43-52
• 4.1 前言43-44
• 4.2 实验部分44-45
• 4.2.1 实验方案44
• 4.2.2 主要仪器与化学试剂44-45
• 4.2.3 电极的制备与电化学性能的测试45
• 4.3 结果与讨论45-51
• 4.3.1 电流密度对复合镀层表观形貌的影响45-47
• 4.3.2 镀液中NiCo_2O_4 微粒的含量对复合镀层表观形貌的影响47-48
• 4.3.3 脉冲电源与直流电源对复合镀层表观形貌的影响48
• 4.3.4 表面活性剂对复合镀层表面形貌的影响48-49
• 4.3.5 复合镀层的XRD 和SEM 分析49
• 4.3.6 复合镀层中NiCo_2O_4 含量的测量49-50
• 4.3.7 电极的电化学性能50-51
• 4.4 小结51-52
• 结论52-54
• 参考文献54-60
• 附录A (攻读硕士期间所发表的学术论文目录)60-61
• 致谢61

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