穿流电极无膜水电解研究

作     者：刘伯伦 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王宇新

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：不锈钢纤维烧结毡 泡沫镍 镍网 析氧反应 无膜水电解 

摘      要：为了缓解能源危机以及解决环境污染问题,氢能的使用日益受到重视。而在生产氢气的各种方法中,利用清洁能源通过电解水制氢已成为研究的焦点。但是常规的碱性水电解难以在大电流密度下工作,而且电解槽中的隔膜在碱性电解液中存在不稳定以及增大电阻的问题。穿流电极无膜水电解去除了隔膜,依靠电解液流动穿过电极带走气体产物,降低了成本的同时减小了电阻,并且可以在大电流密度下运行。本文分别以不锈钢纤维烧结毡、泡沫镍以及编织镍网作为电极的基底,然后通过恒电流电镀的方法制备Ni Fe合金电极。利用X射线衍射仪表征了电极的物相组成,然后对不同基底的Ni Fe电极进行电化学性能测试。结果显示以不锈钢纤维烧结毡为基底的电极电化学活性面积大,析氧反应活性高。因此,以不锈钢纤维烧结毡为基底,对不同电镀条件制备的电极进行研究。利用扫描电镜表征了电极的表面形貌,利用能谱分析仪表征了电极的元素含量。然后对不同电镀条件下制备的电极进行电化学性能测试。结果显示电镀时间为20 min、电流密度为20 m A·cm时制备的电极电化学性能最好,在10 m A·cm电流密度下,过电位仅为250 m V。而且该电极上的催化剂分布均匀,表面镀层完整。此外,该电极在200 h的电解过程中表现出良好的稳定性。然后将该电极应用于穿流电极无膜水电解中进行研究。本文设计了穿流电极无膜水电解装置,将以上制备的电极作为电解槽的阳极和阴极,测试了装置的性能及稳定性。结果显示电解液浓度的增大使装置性能变好,电解液流量的增大会使槽压呈现先减小后稳定的趋势。此外,测试了不同电流密度下装置的稳定性。结果显示,在4 h的电解过程中,穿流电极无膜水电解装置具有较好的稳定性,而且O浓度与H浓度都保持在99%以上。