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碱式电解水电极多孔催化层冷喷涂制备及其性能研究

碱式电解水电极多孔催化层冷喷涂制备及其性能研究

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作者：姜欣格沈阳工业大学

学位级别：硕士

碱式电解水是目前最成熟的制氢技术,其结构简单、成本低、可常温工作,且可与可再生能源结合进行大规模制氢储能,它在储能领域具有广泛的应用前景。然而,其工作电流密度相对较低,且采用强腐蚀性电解液,易导致其金属部件腐蚀而降低电解效... 详细信息

碱式电解水是目前最成熟的制氢技术,其结构简单、成本低、可常温工作,且可与可再生能源结合进行大规模制氢储能,它在储能领域具有广泛的应用前景。然而,其工作电流密度相对较低,且采用强腐蚀性电解液,易导致其金属部件腐蚀而降低电解效率。Pt、Ir等贵金属在碱性条件下具有优异的催化性能,但成本高、储量少,无法满足大规模应用需求。作为贵金属催化剂的替代,过渡族金属Ni具有较高的耐碱腐蚀能力,同时也表现出仅次于贵金属的催化性能,且其价格低廉、丰度高,可满足大规模应用需求,是目前应用最广泛的电解水催化材料,但其电解性能仍需要进一步提高。经证实,增加电极的表面积可以为电解反应提供更多的活性位点,从而有效提升电解性能。因此,通过表面改性技术增加镍电极活性表面积提升电极性能成为了电解水制氢领域的重要研究方向。高压冷喷涂是一种新型表面改性技术,其采用高压高速气体作为介质,将金属颗粒加速到较高的速度,撞击在基体表面,并发生塑性变形形成涂层。该工艺效率高,适合大规模制备电解水催化剂涂层,且全过程金属颗粒无熔化无氧化,可实现冶金结合涂层的制备。本课题拟采用Ni+Al混合粉末作为喷涂粉末,通过改变造孔剂Al粉的含量实现催化涂层多孔结构的调控,通过不同造孔剂含量涂层沉积顺序的控制实现梯度多孔结构涂层的制备,并结合热处理去除涂层中的残余应力,进一步提高涂层结合强度。并通过SEM、EDS、XPS、XRD、工业CT等手段对涂层进行微观组织和结构表征,通过电化学方法对涂层电化学性能(LSV、CV、OCV、Tafel斜率、C等)进行表征,研究催化涂层多孔结构对电极性能的影响规律,研究多孔结构对电解过程中传质的影响情况,探讨镍电极的涂层组织结构对其催化性能的影响机制,阐明高性能电极涂层结构与性能的构效关系。结果表明,随着造孔剂Al含量的增加,涂层的孔隙率明显提高,Al含量为20%时,涂层孔隙率可达38.5%,这极大地增加了电极的表面积,使电极性能显著提升。合适的热处理会使涂层中Ni和Al发生互扩散,形成的合金相(Ni Al、NiAl)可有效增强涂层的结合强度,同时又能保证涂层的多孔结构,使电极具有较好的电解性能,电流密度为10m ***时,其her过电位仅为30 m V。梯度多孔结构的引入有效改善了孔隙内的传质效果,使电极的催化活性得到进一步提升,其60 m ***的her过电位仅为480 m V,且1.6V的电位下oer电流密度达80 m ***,这比N30A提高了约60%。而且该样品表现出良好的稳定性,非常适合用作电解水电极。

关键词：多孔镍电极高压冷喷涂后退火碱式电解水 her/oer性能

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