镍合金析氢电极研究概述.pdf

No,4 Apr 2010
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镍合金析氢电极研究概述
高鹏,曹立新,屠振密
(哈尔滨工业大学(威海)海洋学院应用化学系,山东威海264209
摘要]从镍合金析氩电极的分类、性能、表征、析氩机理、催化机理以及エ业化应用前景等方面对该电极的研
究状况进行了简要的评述与分析。
[关键词]镍合金;电极;析氩;催化
[中图分类号]TQ153[文献标识码]A
文章编号]1001-1560(02010)04-0068-04
0前言
须考虑阴极材料的稳定性及使用寿命。
进人21世纪以来,化石能源的消耗量大大增加、
电沉积镍合金电极制备简单、成本低廉、镀层均
匀、厚度易控、镀层成分选择广,并且具有良好的电催
储量日益减少,开发高效、清洁的新型能源成为人类面
临的重大挑战。氢能可以作为二次能源,而电解水制
化性和稳定性。本文对该合金电极的研究进展进行了
氢是实现大规模工业化制氢、获得氢能的重要手。综述。
由于低析氢过电位金属P,?等价格昂贵、无法推广,1镍合金电极的分类
所以开发成本低廉且能够有效降低析氢过电位的新型
阴极材料已成为研究热点
镍合金析氢电极按照材料结构划分可分为晶态合
降低析氢过电位有2种方法:一是提高电极的比金、非晶态合金、纳米晶合金和复合析氢材料等!;按
表面积,即增大电极的孔隙率或表面粗糙度,以降低电照构成合金的元素种类划分可分为金属一金属和
解过程中电极的真实电流密度;二是提高电极本身的金属-非金属;按照构成合金的元素数目划分可分为二
电化学活性,即寻找高催化活性的新型析氢材料。前元合金和多元合金。目前常见的电沉积镍合金析氢电
者最常见的是 Raney Ni,将Yi与易溶出的金属(如Al,极见表11-)。此外,还可以用复合电沉积技术将1种
Zn,Sin等)合金化,形成前体合金,再通过化学或电化或数种不溶性固体微粒掺杂到镍合金中形成复合镀层
学方法将合金组分溶出而形成多孔结构的镍或镍合金以提高析氢催化活性,如Ni-P-NGO-Co,-P-TiO2
电极。该方法并没有提高材料本身的催化活性,只是Ni-P-SiC9),Ni-Ww-WC?,Ni-W-TiO2(”等。
在表观电流密度下降低了析氢过电位。如果能使材料
表1常见的电沉积镍合金析氢电极
本身的催化活性提高,然后再提高其真实表面积,那么
种类
元合金
多元合金
此,第2种方法如果能取得突破性进展,将会大大提高属?金、N、、、、F:2aでMW,NFeM
在相同的表观电流密度下其析氢过电位会更低。因
NI-MO Ni-co NI-TI
阴极材料的性能。在第2种方法的研究中,析氢过电
位金属N,Fe具有耐碱腐蚀、成本低廉的优点,其合金
Ni-co-p NI-W-P, NI-MO-P
金属
非金属
NI-ZN-P, Ni-la-p, Ni-ce-p, Ni-s
已成为研究热点。
-S(LA), NI-CO-W-P, Ni-co-s
另外,为了满足工业化需求,阴极必须能在高温、
高碱浓度、高电流密度等条件下长期稳定工作,同时还2镍合金电极的性能及表征
应具有抗短路、抗开路氧化等特殊性能,因而研究中必
2.1性能
[收稿日期]2009-11-02
[通信作者]高鹏(1978-),男,硬士,讲师,主要从事电化
镍合金电极的析氢性能见表26-]。这些合金的
学材料研究,电话:13863192,E-mal:催化活性比基体金属的大大提高,制备方法以电镀、化
gaofei5075@sina.com
学镀、复合电镀为主,基体金属一般选择低碳钢或45
故?ず
第43卷?第4期:2010年4月の
钢,其中N-Mo,Sn-i和非晶态Ni-W-WC表现出较高素及镀后处理对镀层电极活性的影响,并总结了N-P
的催化活性。为了提高电沉积速度,脉冲电沉积、喷射类非晶态合金镀层的电极催化机理。稀土元素具有特
电沉积等高速电镀技术的研究近年来日益活跃。乔桂殊的外层电子结构、化学活性和物理化学性能,除Mo,
英等?通过测定硫酸盐电解液在不同喷射速度下的阴
W等金属元素外,用稀土元素改变Ni-S和Ni-P
极极化曲线,研究了喷射电沉积镍的阴极动力学及喷金的空间结构和稳定性也成为研究热点3.4,24,
射速度对阴极过电位和沉积层晶粒尺寸的影响。韩庆2.2表征
等[?研究了脉冲电镀法制备Ni-Mo合金镀层中电镀
在一定电解电流密度下的析氢过电位是评价镍合
条件对Ni-Mo合金析氢性能的影响,指出33%NaOH金催化性能的主要指标,过电位越低,催化活性越好。
溶液中,含Mo30%左右的Ni-Mo合金镀层表现出良好电流密度是衡量氢气产量的主要参数,电流密度越大,
的析氢催化活性(80℃,xn为62mV)。另外,利用太单位时间内析出的氢气越多。目前工业电解水最常用
阳能,使用半导体电极进行光解水或光助电解水也是的是碱性电解槽,电解液是质量分数为20%~30%的
很有发展前途的方法。李爱昌等叩用电沉积方法在PKOH溶液,工作温度70-90℃,压力100~3000Pa,电
型硅半导体上沉积Ni-W-P合金,对其电催化析氢和光流密度200~400mA/ecm2。因此,在研究镍合金性能时,
电催化析氢特性进行了探讨。
通常以下列条件作为析氢过电位测试的标准条件:电解
表2部分报道的镍合金电极的析氢性能
液为质量分数30%的KOH或NaOH溶液,温度70~90
基体沉积方法合金组成介质/℃E(析氢)/m℃,电流密度200~400mA/cmr2。在标准条件下进行恒
电镀Ni-Mo0.1mol/ L NAORI25221(mn0
电流电解,测量电极的过电位。一般用m来表示电流密
Ni电镀Ni-W-
moレ/L.KOH25300(m0
度为J(mA/em2)时的过电位,如m0表示电流密度为
45钢电镀M-W-P25%KOH25210(7o)
0. 1 mol/L H, SO
300mA/cm?时的过电位。另外,也可以通过测量稳态极
单晶p-Si电镀Ni
30320(m1o
+0.5 m/l. Nas so
化曲线来研究不同电流密度下的析氢过电位
45钢(表
交换电流密度也是评价镍合金催化性能的主要指
面镀亮铜)电镀Sn-N]5%NaO55131(nm)
标,交换电流密度越大,反应的可逆性越好,电极催化
45钢化学镀N-Co-W-PImL.NOH25420(o)活性越高。交换电流密度可以通过Tafl曲线进行测
马口铁化学镀M-Co-W-P1mol/ L NAOH30330(mo
量2),根据Tafl曲线还可以得到 Tafel斜率以进行析
低碳钢复合电、品态
VI-W-WC
7 mol/L KOH 25 260( m
氢机理研究2。
电极的比表面积也是镍合金电极的重要性能指
低碳钢复合电镀非品态7 mol/L KOH3018o(o)
Ni-w-wc
标,比表面积越大,相同外电流密度下过电位越低。可
马口铁复合电镀i-W-Ti027mol/L.NaOH30160(m10)
以采用电位阶跃法测定电极的双层电容2),除以20
对于金属-金属类合金,Ni~Mo系列表现出了较高