镍基催化剂的可控制备及其电解海水性能研究

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在众多的制氢方法中,电解水产氢具有操作简单、投资低、清洁高效等优势,是迄今为止应用最广泛的氢能开发技术。但是,如今淡水资源越来越缺乏,电解海水产氢就进入了人们的视野。在电解海水的过程中存在析氯反应的产物会腐蚀电极、析氧反应过程动力学缓慢等这些问题,因此,寻找一种能够选择性析氧、抑制析氯的阳极催化剂是非常重要的。本文以泡沫镍为基底骨架,构建了过渡金属氧化物、硫化物、磷化物及氢氧化物的镍基自支撑电极材料,再通过提高KOH的浓度,改善催化剂在析氧反应和析氢反应方面的活性,并在一定条件下抑制了析氯反应的进行。具体工作如下:(1)首先通过低温蚀刻法在泡沫镍表面制备Co,S-NiFe2O4催化剂。通过电化学测试发现:在电流密度为500 m A cm-2时,随着KOH浓度从1 M增加到3 M,电极的析氧过电位从623 m V下降到419 m V(无i R补偿),性能得到了改善,并在KOH浓度为3 M时,析氧过电位达到了热力学上抑制析氯反应的条件。为了验证催化剂的性能随KOH浓度呈正相关规律的普适性,在对S-NiFe2O4和Mn,S-NiFe2O4进行电化学测试后,也得到了类似的结果。但是,随着KOH浓度的提高,三种催化剂在电解海水时的电催化活性提高的程度各不相同。因此,本论文提出了KOH浓度与电催化活性之间的关系系数(CAC),这为开发高催化活性海水电解电催化剂开辟了新的途径。(2)用上述的方法制备出S-NiFe2O4和NiFe2O4,再通过退火掺入P杂原子,分别制备出S-NiFe2O4-Ni2P和NiFe2O4-Ni2P。对这四种催化剂分别在氢氧化钾浓度为1M和6 M的海水电解液中进行电化学测试,结果表明:S-NiFe2O4-Ni2P在同一电流密度下过电位小于S-NiFe2O4,NiFe2O4-Ni2P在同一电流密度下过电位小于NiFe2O4。这是因为P杂原子可以有效的结合溶液中的氢离子,提高催化剂的催化活性,促进HER反应的进行。且掺入P杂原子的催化剂在浓度为6 M的氢氧化钾海水电解液中比在1 M中的催化性能提升的更为明显,这为在海水电解过程中提高催化剂的析氢活性提供了新途径。
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