泡沫镍载碳化钨催化剂上的析氢反应
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［ ］ * 成为可再生能源的最佳载体而替代化石能源 ,氢 ［ ， ］ * " 气有多种制备途径 ，其中碱性电解水制氢是当
价格昂贵， 不利 彻的析氢电极,但由于其资源有限， 于工业上的推广应用, 研究发现， 碳化钨能促进许多金属的析氢电催
［ ， ］ * $ * ) 化活性， 因而逐渐受到人们的青睐 ,目前的研
随着阴极材料的研究发展， 其电极合成方法也 不断更新， 主要有电沉积法、 聚四氟乙烯粘接法、 化 学还原法、 离子喷射法和高温烧结法等$电沉积法 操作比较简单， 成本较低， 是目前国内大多数 % &合 金电极研究者所采用的制备方法， 其关键在于控制 电镀工艺条件$一般工作中采用的方法都是直流电 沉积， 在电沉积过程中， 随着金属微粒的析出，, ! 析出的速率也随之加快， 使电极表面富集大量的气 泡， 导致电化学沉积无法继续进行$而在每次短时 负电流沉积之前， 在电极上施加正电流， 一方面可以 在电极附近富集正离子， 更为重要的是能消除滞留 在电极表面的氢气气泡， 从而使电化学沉积过程得
前最常用的一种制氢方法， 但由于析氢过电位的存 在， 导致电解时的槽电压增大， 能耗增加,为了降低 电解时的能耗， 必须开发出新型廉价的高催化性能
［ ， ］ $ ) 的析氢电极材料 , O 5和 O : 等贵金属是人们最
究主要集中在非贵金属催化剂上， 特别是 @ 3基催化
［ ］ ［! ］ * # ! * & 剂显示了较高的活性 归纳了 @ , ? J 3等 " 3 % P
! 实验部分
! " ! 电极的制备 所使用的化学品均为分析纯， 所有的溶液均用 新鲜的蒸馏水 去离子水配制$ 将 "3金属钨粉末加 ’ 入到" 4. 5的6 4 7, 8 *. 5异丙醇和" 4. 5水的 ! !、 混合溶液中， 反应 ! 加入 "3 ; 9: 后， < 5 = > ?@ ) ’ + ! 碳粉 （美国 ) ，搅拌 6 ，再置于 > A B C公司产品） 4. & ? 超声清洗机中超声， 使碳粉在溶液中均匀分散， 超声 至溶液变粘稠$此粘稠浆料在微波炉中以加热 *D 暂停 *D的方式加热 ". ， 浆料变成粉末$ 将此粉 & ? 末置于坩埚中， 通氩气 " 再将坩 4. & ? 以排除氧气， 埚置于微波炉中加热! ，制得 () 粉末$ 4. & ? 将4 ／ ／ ・ E 4 6. B 5 F () 和 4 E !. B 5 F% & G 8 # , 8 9 ! 溶液按一定比例混合， 调节 H ，用 , 值于 * E 4!# E 4 ／ 在! ". B 5 F 硼氢化钠作为还原剂， I /- 下还原* ! J 用蒸馏水洗去 % 6 4. & ? $还原反应完全后， > 离子
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收稿日期： " ! ! + % ! & % " ) , 第一作者：吴 梅，女， * & ’ "年生，硕士研究生, 联系人：沈培康, ： （ ） ； ： . / ! " ! ’ ) ! $ + ( $ + 0 % 1 2 3 / 4 5 4 4 7 "1 2 3 / , 4 4 9 , . : 9 , ; < , 6 8 基金来源：国 家 自 然 科 学 基 金 （" ， ；广 东 省 自 然 科 学 重 点 基 金 （! ；广 东 省 重 大 科 技 基 金 （" ! ) ( + * ! ’ " ! ) ( + * ! &） ) * ! # # ! !） ! ! # ） ；广州市重点科技基金 （ ） = * * ! ! ) ! ! * " ! ! + > $ % ? Baidu Nhomakorabea ! $ *, 万方数据
合金的制备、 晶体结构、 析氢反应活性及析氢反应机 理等方面的研究状况,研究发现， @ 3 O 3 P J 和@ J 都 有很高的析氢催化活性， 并且在 @ 3 % O和 @ 3 % P 合金
早发现的对电解水析氢反应具有良好催化效果的金
［ ］ # ! * " 属电极， 属于低过电位金属 ，也是被研究最透
泡沫镍载碳化钨催化剂上的析氢反应
吴
"， 魏子栋 *， 沈培康 " 梅*，
（ ； * 重庆大学化学化工学院，重庆 ) ! ! ! ) ) ） " 中山大学物理科学与工程技术学院光电材料与技术国家重点实验室，广东广州 # * ! " ( # 用 B 射线衍射、 扫描电镜和透射电镜对催化剂进 摘要：结合直接化学还原法和交替微波法制备了泡沫 @ 3载 @ 3 % A ? 催化剂， 行了表征， 研究了其析氢电催化性能, 结果表明， 在相同条件下， 泡沫 @ 3载 @ 3 % A ? 催化剂的析氢起始电位与泡沫 @ 3相比降低 了+ !1 C 左右,电解质浓度和温度对泡沫 @ 3载 @ 3 % A ? 催化剂的析氢电催化活性有很大影响, 关键词：化学还原法；微波；泡沫镍；碳化钨；负载型催化剂；析氢；电催化 中图分类号： D + ) $ 文献标识码： =
第" ’卷 第 )期 C F / , " ’@ F , )
文章编号： （ ） ! " # $ % & ’ $ ( " ! ! ( ! ) % ! $ ! ( % ! #
催
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学
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研究论文： $ ! ( ! $ * *
( $ + . ) 4 ) K % C 0 . , & % , 5 , & 4 + 4 ’( 6
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催
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第! /卷
电极中掺杂过渡金属后， 电极具有更好的析氢催化
［ ］ ! " ! ! # 效果 $ % & ’ () 催化剂在碱性介质中也有良好 ［ ］ ! * ! ! + 的析氢电催化活性 $
为基体， 工作面积为" E 4= .L " E 4= .$将泡沫 % &水 洗并在丙酮溶液中浸渍 " ，水洗后于 ／ 4. & ? * 43 F 的% 溶 液 中 浸 渍 ，然 后 再 于 的 > 8 , " 4. & ? 6 7 中浸渍 ". ，水洗， 粘接用还原法制备的 , G 8 & ? ! 9 所得合金电极记为 % ／ % & ’ () 催化剂， & ’ () % & $为 了比较， 截取同样大小的泡沫 % 比较泡 &作为电极， 沫% ／ &电极和 % & ’ () % &电极在碱性溶液中的析氢 电催化活性$ ! " # 催化剂的表征 催化剂的物相在日本理学 M ／ N > O ’ "P 型 @ 射 线粉末 （多晶） 衍射 （@ 仪上测得， （ Q M） ) <!# 靶 !R ，功率 6S ， 4 E " * 9 !? .） (，测角范围 " E ! T !" ! 4 T 灵敏度6 7! * 7，测角精度 U 4 E 4 4 ! T $催化剂的形 貌在V （X 上观 W N ’ ! 4 " 4, Q 型透射电子显微镜 W N） 察， 点分辨率4 E ! 6? .，晶格分辨率 4 E " 9? .，最高 电压! （G 照片及元 4 4S ;$催化剂的扫描电镜 W N） 素分布在 , ／ ／ & C > = : & 8 O Y B Z [G ’ * ! 4 \ G \ G ’ 6 4 4 型扫描电 子显微镜 ／ 分辨率 #? @ 射线能谱仪上测定， .，元 素范围" " % > ! I ! ]，含量一般要求大于4 E * 7$ ! " $ 电化学性能测试 电化学性能测试在德国 ^ > : ? 2 Z ’ W 5 2 = C Z & S\ N # 2 型电化学工作站上进行， 采用标准三电极体系， 自制 的% ／ & ’ () % &电极为工作电极， 0 C片电极为辅助电 ／ （ ／ 为参比电 极， 自制的 , , 8 电极 6. B 5 F8 ,） 3 3 极$用动电位扫描测定电极的阴极极化曲线$除特 殊说明外， 电解液为 ". ／ 扫描 B 5 F 氢氧化钾溶液， 速度均为 *. ／ ; D $
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［ ， ］ * $ * ) 化活性， 因而逐渐受到人们的青睐 ,目前的研
随着阴极材料的研究发展， 其电极合成方法也 不断更新， 主要有电沉积法、 聚四氟乙烯粘接法、 化 学还原法、 离子喷射法和高温烧结法等$电沉积法 操作比较简单， 成本较低， 是目前国内大多数 % &合 金电极研究者所采用的制备方法， 其关键在于控制 电镀工艺条件$一般工作中采用的方法都是直流电 沉积， 在电沉积过程中， 随着金属微粒的析出，, ! 析出的速率也随之加快， 使电极表面富集大量的气 泡， 导致电化学沉积无法继续进行$而在每次短时 负电流沉积之前， 在电极上施加正电流， 一方面可以 在电极附近富集正离子， 更为重要的是能消除滞留 在电极表面的氢气气泡， 从而使电化学沉积过程得
前最常用的一种制氢方法， 但由于析氢过电位的存 在， 导致电解时的槽电压增大， 能耗增加,为了降低 电解时的能耗， 必须开发出新型廉价的高催化性能
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究主要集中在非贵金属催化剂上， 特别是 @ 3基催化
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电极中掺杂过渡金属后， 电极具有更好的析氢催化
［ ］ ! " ! ! # 效果 $ % & ’ () 催化剂在碱性介质中也有良好 ［ ］ ! * ! ! + 的析氢电催化活性 $
为基体， 工作面积为" E 4= .L " E 4= .$将泡沫 % &水 洗并在丙酮溶液中浸渍 " ，水洗后于 ／ 4. & ? * 43 F 的% 溶 液 中 浸 渍 ，然 后 再 于 的 > 8 , " 4. & ? 6 7 中浸渍 ". ，水洗， 粘接用还原法制备的 , G 8 & ? ! 9 所得合金电极记为 % ／ % & ’ () 催化剂， & ’ () % & $为 了比较， 截取同样大小的泡沫 % 比较泡 &作为电极， 沫% ／ &电极和 % & ’ () % &电极在碱性溶液中的析氢 电催化活性$ ! " # 催化剂的表征 催化剂的物相在日本理学 M ／ N > O ’ "P 型 @ 射 线粉末 （多晶） 衍射 （@ 仪上测得， （ Q M） ) <!# 靶 !R ，功率 6S ， 4 E " * 9 !? .） (，测角范围 " E ! T !" ! 4 T 灵敏度6 7! * 7，测角精度 U 4 E 4 4 ! T $催化剂的形 貌在V （X 上观 W N ’ ! 4 " 4, Q 型透射电子显微镜 W N） 察， 点分辨率4 E ! 6? .，晶格分辨率 4 E " 9? .，最高 电压! （G 照片及元 4 4S ;$催化剂的扫描电镜 W N） 素分布在 , ／ ／ & C > = : & 8 O Y B Z [G ’ * ! 4 \ G \ G ’ 6 4 4 型扫描电 子显微镜 ／ 分辨率 #? @ 射线能谱仪上测定， .，元 素范围" " % > ! I ! ]，含量一般要求大于4 E * 7$ ! " $ 电化学性能测试 电化学性能测试在德国 ^ > : ? 2 Z ’ W 5 2 = C Z & S\ N # 2 型电化学工作站上进行， 采用标准三电极体系， 自制 的% ／ & ’ () % &电极为工作电极， 0 C片电极为辅助电 ／ （ ／ 为参比电 极， 自制的 , , 8 电极 6. B 5 F8 ,） 3 3 极$用动电位扫描测定电极的阴极极化曲线$除特 殊说明外， 电解液为 ". ／ 扫描 B 5 F 氢氧化钾溶液， 速度均为 *. ／ ; D $