金属负载于N掺杂碳材料用于电催化析氢的研究(4)

众多学者将目光投向了过渡金属镍,致力于镍基材料的研究,包括了合金镍和多孔镍以及单质镍、镍基材料等。MJDEIZ等人[10]则以软钢为负载材料,在酸性


众多学者将目光投向了过渡金属镍,致力于镍基材料的研究,包括了合金镍和多孔镍以及单质镍、镍基材料等。MJDEIZ等人[10]则以软钢为负载材料,在酸性硫酸盐和氯化钾电镀液中电沉积得到镍-锌合金沉积层,然后用碱性溶液处理,使得锌溶解,这样方法使得微观表面积增大一两千倍,使得氢超电势大大降低[19],先沉积合金,然后溶解其中一种金属而令一种金属不溶解,通过这种方法可以制备高催化活性电极材料。林修文等人的研究表明:在25 ℃,300 g/L  NaCl水溶液中,分别将铁和钛基体上电镀合金镍-钴以及镍-钨合金制成的材料作为阴极构成三电极两回路体系并用3 mA/dm2 电流密度电解,测量其电化学动力学参数,其结果与单独的金属单质相比较,两种材料的氢超电势均有明显降低 [21]。因此,通过该实验可以认为镍-钼-钴合金的耐腐蚀性比纯Ni镀层强很多。黄清安、王彪龙[11]等人用电沉积法制得镍-钼合金沉积层以及镍-钼-钴合金沉积层。制备好的电极材料放置于1M KOH溶液中,测量其阴极级化曲线,和单独的Ni沉积层相比,这两种析氢电位都朝正方向有明显的移动。在此基础之上,镍-钴-磷合金的阴极极化曲线朝正方向移动了约200 mV[22]。猜想其原因可能是:此合金形成过程中,有电子从Ni元素轨道的3d电子轨道向磷的电子轨道转移,形成了具有一定强度的镍-磷键,镍的电子云密度相对于未形成镍-磷键时减少,使镍-磷键键能变小,这极有利于吸附态的氢原子在电极表面脱附并与另一个氢原子结合生成氢气,这正是析氢电位朝正方向移动的原因[2]。

1.3.4复合合金镀层材料电极

人们采用在基材上电镀复合合金镀层,从而得到具有较高催化析氢活性的电极。获得复合合金镀层的方法:在基体金属中镶嵌另一相的固体微粒,这是一种新的高催化活性电极材料的制备方法。有文献[12]详细叙述了镍-碳化钨复合电极材料的制备过程,电极材料在碱性条下的电解水的电化学测试其动力学参数参数结果表明:镍-碳化钨电极上析氢催化效果一般优于纯金属镍[2]。

1.3.5纳米合金材料电极

纳米材料的经济简便的制取方式是用电化学沉积法,电沉积法可以制得纯金属,合金,金属-陶瓷纳米电极材料[6]。黄令[13]的研究表明镍-钼合金纳米材料具有较高的催化活性和耐腐蚀性,原因在于纳米晶合金晶粒的尺寸较小。黄令[14]还研究了纳米晶镍-钼钴合金的析氢催化活性,电化学测试结果研究表明:

当镍:钼:钴=29:37:34时,材料介于晶态和非晶态之间,尺寸约为2.1 mm。在30% KOH溶液中由三电极体系测试该沉积层析氢动力学参数见表 1.3:

表1.3 不同电极材料析氢动力学参数

电极I0(A/cm2) ηH2(V)

纳米晶镍-钼 1.0×10-4 262

纳米晶镍-钼-钴 1.2×10-2 161

由分析得镍-钼-钴纳米材料其良好的电催化活性源于纳米晶镍-钼合金引入的钴。

1.3.6非晶态合金材料电极

非晶态合金催化剂与金属催化剂相比,有许多金属催化剂不具备的性能:(1)调配合金的组成成分(即不同的金属元素比例有不同的结构),设计达到想得到的电子结构,使其有较高的析氢催化效率。(2)非金属合金是一种优良的电极材料,催化中心遍布材料微观表面,且有卓越的机械强度和较高的耐腐蚀性[15]。曾跃[16]等人,运用电沉积技术合成了在基材表面覆盖了镍-钼合金沉积层。研究表明:逐渐增加镍-钼合金镀层中钼元素含量,氢的过电位会逐渐降低;且由于钼元素的掺杂在晶格中,晶格畸变增加。Trygve Burchardt等人研究了NiPx合金的微观结构对析氢催化活性的影响程度,研究发现:在碱性溶液中通过三电极体系测试其动力学参数,测试结果表明晶体颗粒大小和催化活性具有一定的相关性,镀层合金的催化活性随镍原子周围非晶态相的组成成分发生变化。根据其测试结果绘制出的成分-催化活性曲线表明:镀层合金催化活性最高的位置是磷化镍合金中的磷的组分约是19 atm.%。