电解海水用镍合金析氢阴极材料的研究

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随着全球能源使用量的增长,化石燃料等能源将日益枯竭并对环境产生严重影响。氢能源的大规模使用将使人类进入一个可持续发展的时代,而大规模、廉价地生产氢气是开发和利用氢能的重要前提。在众多的制氢方法中,电解水制氢成本低、氢气纯度高、技术优势明显。我国海洋资源丰富,将海水作为电解析氢的介质,将有广阔的发展前景。目前关于电解海水制氢阴极材料的研究以电沉积法为主,主要集中在提高电催化活性和降低析氢过电位的电极材料的开发上,本文旨在采用粉末冶金法对电解海水用镍合金析氢阴极材料进行探索。本文以Ni、Fe、Cu、Cr等粉末为原料,采用元素粉末反应合成法设计制备了一系列二元、三元、四元镍合金多孔阴极材料。通过扫描电子显微镜、X射线衍射、背散射电子衍射等对电极材料的表面形貌、物相成分进行表征,并通过阴极极化曲线、循环伏安曲线、交流阻抗谱等电化学方法对电催化活性、析氢稳定性、抗海水腐蚀性进行分析。研究工作主要取得如下成果:制备的Ni-Fe、Ni-Cu、Ni-Fe-Mo-Cu、Ni-Cr-Mo-Cu多孔合金不适宜用作电解海水析氢阴极材料。在电化学测试过程中,这些多孔合金经阴极极化曲线测试后均出现了不同程度的腐蚀。其中,Ni-Fe合金测试后人工海水变为浅黄绿色,样品表面被腐蚀出现棕红色铁锈;Ni-Cu合金进行电化学测试后,表面被腐蚀出现了铜锈;Ni-Cr-Mo-Cu合金测试后人工海水溶液变为黑色。同时根据阴极极化曲线可得,这些合金在人工海水中具有较低的析氢催化活性,其中Ni-Cu合金极化曲线中电位在-1.5V时的电流密度为173.01m A cm-2,Ni-Fe-Mo-Cu合金极化曲线中电位在-1.5V时的电流密度为95.73m A cm-2。制备的Ni-Cr-Fe、Ni-Fe-Mo、Ni-Fe-C、Ni-Ti四种多孔电极材料,均具有相互连通且丰富的孔隙,适宜用作电解海水析氢阴极材料。经分析可得,Ni-Cr-Fe多孔合金中以(Ni,Cr,Fe)固溶体基体为主;Ni-Fe-Mo多孔合金中以固溶了少量Mo元素的Ni Fe Mo固溶体为主;Ni-Fe-C多孔合金成分均匀,由Ni3Fe与C扩散组成;Ni-Ti多孔合金中以Ni Ti奥氏体相为主。四种多孔材料相比,Ni-Cr-Fe多孔材料的电催化析氢性、析氢稳定性、抗海水腐蚀性更为优异。其Tafel斜率为-201.5m V dec-1,激活能为27.57k J mol-1。经过500st循环后,Ni-Cr-Fe多孔材料电流衰减程度最低,为33.17%。同时Ni-Cr-Fe多孔材料具有更正的开路电位、腐蚀电位(-0.19172V)、较小的腐蚀电流(8.8412×10-8A cm-2)与较小的腐蚀速率(0.0010399mm y-1)。
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