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钴尖晶石水电解用复合阳极的制备及性能研究

池波  
【摘要】:论文对水电解制氢用钴尖晶石复合阳极材料的制备方法和电催化性能进行了研究。传统的碱性水电解制氢工艺中金属镍阳极材料存在着过电位高、能量利用率低、稳定性差等缺点,本论文的目的就是研究制备具有过电位低、能量消耗小、稳定性好的新型钴尖晶石复合阳极材料。 研究内容包括钴尖晶石氧化物的制备及表征,钴尖晶石/镍复合电极的制备方法,复合电极的析氧电催化性能及电催化机理。系统研究了四种钴尖晶石MCo_2O_4(M=Ni,Cu,Zn,Mn)的物理化学特征;研究了钴尖晶石/镍复合电极的新型制备方法,成功应用合金氧化法和电泳沉积法制备了复合电极;运用电化学方法对复合电极的表面粗糙度进行了计算,并对其析氧电催化性能和机理进行了评价和分析。 钴尖晶石复合电极表现出良好的析氧电催化性能。表面涂敷法制备的电极在100mAcm~(-2 )时的过电位分别为0.454V (ZnCo_2O_4) 、0.469V (Cu_(0.9)Co_(2.1)O_4)、0.476V (NiCo_2O_4)、0.510 V(MnCo-2O_4),显著小于金属镍的过电位(0.65V) ; 而电泳沉积法制备的电极过电位更小, 分别为0.447V(ZnCo_2O_4)、0.468V(Cu_(0.9)Co_(2.1)O_4)和0.472V(NiCo_2O_4)。析氧电催化性能的优劣顺序依次为ZnCo_2O_4Cu_(0.9)Co_(2.1)O_4 NiCo_2O_4 MnCo_2O_4。同时复合电极具有良好的电催化稳定性。研究表明,电泳沉积法比常用的表面涂敷法更加适合作为复合电极的制备方法,为复合电极的制备提供了一种新的工艺方法。 研究证实,析氧过程中电极表面出现的Co 的高价低价离子之间的氧化还原转变是尖晶石参与析氧反应的重要步骤。而钴尖晶石中其它阳离子对电催化性能的贡献并不明显。直接参与析氧反应的主要为钴尖晶石表面占据八面体位置的钴离子,其含量决定了复合电极的电催化性能。ZnCo_2O_4由于具有最高的表面钴离子含量而显示出最佳的析氧电催化性能。


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