堿性水電解活性陽極材料的制備與電化學性能的研究

【摘要】： 在堿性水電解制氫工業(yè)中,水電解過程中較高的析氧過電位是造成高能耗的一個主要原因,因此如何降低析氧過電位就成為水電解制氫領(lǐng)域研究的熱點問題之一。目前解決析氧過電位過高的方法主要有以下三種:(1)提高水電解溫度;(2)增加電化學活性表面積;(3)采用新型陽極活性材料。水電解溫度過高容易造成電極材料和制氫設(shè)備的腐蝕,電極材料活性表面積的增加也是非常有限,因此選擇高催化活性的電極材料就成為解決析氧過電位過高的最佳途徑。本論文就新型高催化活性電極材料的制備與應用展開了研究,論文主要研究結(jié)果如下: 1.以泡沫鎳為基體材料,將其浸入0.375M鎳鈷硝酸鹽溶液中(鎳鈷離子比為1/2),反復浸涂并于300℃～350℃之間熱處理7次,制備出在堿性水溶液中具有高析氧活性的鎳鈷復合氧化物膜電極。同樣,將泡沫鎳基體材料浸入0.25M鎳鑭硝酸鹽溶液中(鎳鑭離子比為1/1),反復浸涂并于550℃～600℃之間熱處理8次,制備出在堿性水溶液中具有高析氧活性的鎳鑭復合氧化物膜電極,并深入研究了這兩種復合氧化物膜電極材料的制備工藝和電化學性能。XRD分析表明在300℃～350℃熱處理得到的鎳鈷復合氧化物膜為尖晶石結(jié)構(gòu)的NiCo2O4,而在550℃～600℃熱處理得到的鎳鑭復合氧化物膜則為具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的LaNiO3。兩種氧化物膜電極在25℃、30% KOH溶液中電流密度為5000A/m2時的析氧過電位比泡沫鎳電極分別低約130mV和200mV。在小型工業(yè)水電解裝置中,制備的泡沫鎳/LaNiO3電極材料在85℃、30% KOH溶液中,電流密度為5000A/m2時電解槽槽壓比泡沫鎳低約250mV,節(jié)省電能10%以上。 2.采用沉淀-沉淀轉(zhuǎn)換-熱處理的方法制備了鎳鈷復合氧化物NiCo2O4粉末,zeta粒徑分析儀及掃描電鏡(SEM)分析表明,該粉末的平均粒徑約為28.3nm,粒徑范圍為20～100nm,并詳細的研究了轉(zhuǎn)換溫度、沉淀轉(zhuǎn)換劑及濃度、阻聚劑和熱處理溫度等實驗參數(shù)對NiCo2O4納米粉末粒徑和結(jié)構(gòu)的影響,并得出最優(yōu)化工藝條件。 最優(yōu)化的工藝條件為:反應物總濃度為0.75M,沉淀轉(zhuǎn)換溫度為70℃,用吐溫-80作阻聚劑(1.0ml/L),沉淀轉(zhuǎn)換劑NaOH濃度為0.05～0.1M,熱處理溫度為260℃～300℃。 3.采用電化學沉積方法制備出Ni/NiCo2O4粉末復合鍍層電極,研究了陰極電流密度Dk、NiCo2O4微粒在鍍液中的分散量和表面活性劑等因素對NiCo2O4粉末微粒共析量的影響。陽極極化曲線研究表明Ni/NiCo2O4粉末復合鍍層電極的催化活性明顯優(yōu)于Ni,并且電極的析氧催化活性隨鍍層中NiCo2O4微粒含量的增加而提高,在25℃、30% KOH溶液中,電流密度為5000A/m2時析氧過電位比Ni降低了約190mV。 【關(guān)鍵詞】：電解水 析氧過電位 電催化 鎳鈷氧化物 熱分解 復合鍍
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2006
【分類號】：TQ116.21
【目錄】：

• 學位論文原創(chuàng)性聲明和學位論文版權(quán)使用授權(quán)書4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-25
• 1.1 工業(yè)化堿性水電解制氫的發(fā)展與現(xiàn)狀12-13
• 1.2 水電解制氫設(shè)備的發(fā)展13-14
• 1.3 堿性水電解電極材料的要求14
• 1.4 堿性水電解陰極材料的研究14-15
• 1.5 堿性水電解陽極材料的研究15-21
• 1.5.1 金屬與合金材料15-16
• 1.5.2 貴金屬氧化物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 金屬鹽水溶液熱處理法18
• 1.5.4.2 冷凍→真空分解→空氣中熱處理法18-19
• 1.5.4.3 陽極電沉積法19
• 1.5.5 ABO_3 鈣鈦礦型氧化物19-20
• 1.5.6 復合鍍層膜電極20-21
• 1.6 金屬氧化物析氧活性理論21-22
• 1.7 課題的研究意義與內(nèi)容22-25
• 第2章 泡沫鎳/NiCo_2O_4和泡沫鎳/LaNiO_3 氧化物膜電極的制備與電化學性能的研究25-36
• 2.1 前言25
• 2.2 試驗方案25-26
• 2.3 實驗部分26-29
• 2.3.1 儀器與試劑26
• 2.3.2 電極的制備26-27
• 2.3.3 氧化物膜電極的結(jié)構(gòu)分析27
• 2.3.4 氧化物膜電極的電化學性能測試27-28
• 2.3.5 電解池槽壓的測定28-29
• 2.4 結(jié)果與討論29-34
• 2.4.1 熱處理溫度對氧化物膜結(jié)構(gòu)的影響29-30
• 2.4.2 涂膜次數(shù)對電解池槽壓的影響30-31
• 2.4.3 堿液濃度對電解池槽壓的影響31
• 2.4.4 氧化物膜電極的穩(wěn)態(tài)極化曲線31-33
• 2.4.5 電極材料的循環(huán)伏安曲線33
• 2.4.6 電極材料水電解的穩(wěn)定性33-34
• 2.5 小結(jié)34-36
• 第3章 納米NiCo_2O_4氧化物粉末的制備與結(jié)構(gòu)表征36-43
• 3.1 前言36
• 3.2 實驗部分36-38
• 3.2.1 實驗方案36-37
• 3.2.2 鎳鈷復合氧化物粉末制備的基本原理37
• 3.2.3 儀器與化學試劑37-38
• 3.2.4 鎳鈷復合氧化物粉末的制備38
• 3.3 結(jié)果與討論38-42
• 3.3.1 反應物總度對粉末粒徑的影響38-39
• 3.3.2 沉淀轉(zhuǎn)換溫度的選擇39
• 3.3.3 沉淀轉(zhuǎn)換劑及濃度和阻聚劑對粉末粒徑的影響39-40
• 3.3.4 熱處理溫度對粉末結(jié)構(gòu)的影響40-41
• 3.3.5 復合氧化物粉末的表面形貌41
• 3.3.6 阻聚劑或分散劑對粉末粒徑的影響41-42
• 3.4 小結(jié)42-43
• 第4章 Ni/NiCo_2O_4 復合鍍層的制備與其析氧催化活性的研究43-52
• 4.1 前言43-44
• 4.2 實驗部分44-45
• 4.2.1 實驗方案44
• 4.2.2 主要儀器與化學試劑44-45
• 4.2.3 電極的制備與電化學性能的測試45
• 4.3 結(jié)果與討論45-51
• 4.3.1 電流密度對復合鍍層表觀形貌的影響45-47
• 4.3.2 鍍液中NiCo_2O_4 微粒的含量對復合鍍層表觀形貌的影響47-48
• 4.3.3 脈沖電源與直流電源對復合鍍層表觀形貌的影響48
• 4.3.4 表面活性劑對復合鍍層表面形貌的影響48-49
• 4.3.5 復合鍍層的XRD 和SEM 分析49
• 4.3.6 復合鍍層中NiCo_2O_4 含量的測量49-50
• 4.3.7 電極的電化學性能50-51
• 4.4 小結(jié)51-52
• 結(jié)論52-54
• 參考文獻54-60
• 附錄A (攻讀碩士期間所發(fā)表的學術(shù)論文目錄)60-61
• 致謝61

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