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碱性电解水析氢电极

电解水制氢将成为未来绿色制氢工业的核心技术。新型阳极材料以有效降低阴极过电位,对降低电解水能耗和设备成本、提高生产稳定性和安全性,具有十分重要的现实意义,氢能具有环保、可储存、可再生等优点,受到了世界各国广泛的重视。电解水制氢是实现大规模、廉价地生产氢的重要途径,但由于析氢过电位的存在使电解槽压增大,能耗增加。为了降低析氢过电位以减少能耗,开发廉价且具有高析氢催化活性的电极材料。采用电沉积法制备了具有高催化析氢活性的电极材料,并对合金电极的电沉积机理、在30%KOH溶液中的析氢电催化性能进行了研究,采用SEM、EDS对电极进行了表征。 应用电化学方法研究了Ni-Fe-W合金的电沉积机理,并对Ni-Fe-W合金镀层的微观形貌和组成成分进行了表征。循环伏安测试表明,Ni-Fe-W合金电沉积是不可逆电极过程,且WO42-浓度的变化不改变电沉积机理;计时电流法研究表明,Ni-Fe-W合金在铜电极上的电结晶过程符合三维瞬时成核的生长机理;SEM和EDS结果表明,Ni-Fe-W合金镀层由纳米级的小颗粒组成,合金的表观原子组成为Ni58.76%,Fe32.7%,W8.52%。 采用电沉积法制备了Ni-Fe-W合金电极。采用正交试验和单因素实验系统研究了镀液中钨酸钠浓度、硼酸浓度、柠檬酸钠浓度、电流密度、电沉积温度等工艺参数对电极的催化析氢活性的影响,确定了最佳的电沉积工艺参数。在最佳工艺参数条件下,制备了Ni-Fe-W合金电极,其SEM观察表明,电极表面粗糙,由许多纳米级颗粒组成;EDS元素分析得合金的表观原子组成为Ni63.79Fe34.35W1.86,其中元素钨的原子百分比约为1.86%。电化学测试方法研究了Ni-Fe-W合金电极的析氢电催化性能,结果表明Ni-Fe-W合金电极的催化析氢活性比Ni-Fe合金、Ni-W合金、Ni电极都高;相同条件下,Ni-Fe-W合金电极的过电位η100(i=100mA?cm-2)为0.074V,与Ni电极相比降低了0.377V。 采用赫尔槽实验对元素进行了筛选,实验结果表明Ni、Fe、Co、W四种元素组成的合金具有较好的析氢催化性能。并结合正交实验以及单因素实验对电沉积Fe-Co-Ni-W合金电极的制备工艺进行了研究,确定了制备高析氢活性Fe-Co-Ni-W合金电极的最佳工艺参数。在最佳工艺参数条件下,制备了Fe-Co-Ni-W合金电极,其SEM观察表明,由许多纳米级颗粒组成;EDS元素分析得合金的表观原子组成Fe67.27Co25.74Ni4.03W2.96,其中元素钨的原子百分比约为2.96%,Co的原子百分比约为25.74%。Fe-Co-Ni-W合金电极的析氢电催化性能研究结果表明,Fe-Co-Ni-W合金电极的过电位η100为0.059V ,η200(i=200mA?cm-2)为0.105V ,交换电流密度i0为2.61×10-2A?cm-2,析氢表观活化能为26.83kJ?mol-1,具有较高的析氢催化活性。