利用电化学沉积法制备微纳米电极材料并研究其电催化析氢性能

利用电化学沉积法制备微纳米电极材料并研究其电催化析氢性能

【摘要】电化学沉积是制备金属材料微纳米结构的典型方法，原理简单，操作方便。本文采用电化学沉积法，通过改变电化学沉积电位，获得微纳米电极材料，有效增加了比表面积，提高了催化传质效率。同时在此基础上继续在电极材料表面构筑贵金属铂纳米颗粒，形成复合分级结构。利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱（EDS）和X射线衍射（XRD）对电极材料的外部形貌、元素组成和相结构进行表征，并采用电化学阻抗谱（EIS）、线性扫描光谱（LSV）等一系列电化学方法测试电极材料的电催化析氢性能。本文选取圆柱形银丝、扁平铂电极和网状泡沫镍作为导电基底。 采用恒电位电化学沉积技术在导电基体上得到镍钴合金，再通过取代反应在镍钴合金表面构筑贵金属铂，得到最终的镍钴铂合金材料。1.以圆柱形银线为导电基体时，选取-0.8 V，-1.0 V，-1.5 V 3个电位进行恒电位电化学沉积，EDS和XRD结果证明成功制备了镍钴合金。进一步通过取代反应在镍钴合金表面构筑金属铂，从而得到最终的镍钴铂合金微纳复合结构。SEM结果显示，-0.8 V电位下得到的合金由微纳米颗粒组成；-1.0 V电位下得到的合金形貌为五角星状致密结构； 当沉积电位增加到-1.5V时，沉积合金变为松散的树枝状结构。

在0.5 M H2SO4溶液中进行EIS和LSV测试，结果表明：相同电位下镍钴铂合金的阻抗低于镍钴合金，析氢催化性能高于镍钴合金。随着沉积电位的升高，镍钴铂合金的阻抗下降，而析氢性能提高。2.以平板铂电极为导电基底进行电化学沉积时，同样选取-0.8 V，-1.0 V，-1.5 V 3个电位制备镍钴合金。通过改变EIS测试时的外加电位和LSV扫描速率，在0.5 M H2SO4、3.5%Na Cl溶液和天然海水中进行测试。结果表明：三种电解液中镍钴合金的阻抗均低于空白铂电极，而析氢性能高于铂电极。 在外加电位为-0.5 V时合金的阻抗较小,在扫速为100 m V/min时合金的析氢性能较好。随着电位的升高,在-1.5 V制备的Ni Co合金在0.5 M H2SO4溶液和天然海水中析氢效果最好,而在-0.8 V制备的Ni Co合金在3.5% Na Cl溶液中析氢效果最好。3.分别选取-1.0 V、-1.5 V和-2.0 V为沉积电位,以泡沫镍为导电基底进行电化学沉积实验,在微米级泡沫镍骨架上制备了镍钴铂合金微纳米颗粒,通过该结构的构建,可以有效增加电化学催化剂的比表面积,提高催化活性。

泡沫镍独特的三维网络骨架结构显著提高了合金的析氢稳定性，通过SEM测试结果可以看出，随着电化学沉积电位的升高，相同条件下制备的合金的粒径增大，沉积层厚度也相应增加。通过合金析氢性能测试可以看出，在0.5 M H2SO4、3.5%Na Cl及天然海水中，镍钴铂合金的析氢阻抗均小于镍钴合金，析氢过电位也相应降低，因此合金的析氢性能相应提高。当置换反应进行特定的时间时，析氢性能达到最高值。保持其他条件不变，随着电位的升高，所得合金的析氢性能提高。