_Ni_Co_WC复合电极的析氢催化性能

第16卷第4期应用化学Vol.16No.4

1999年8月 CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED CHEMISTR Y Aug.1999

(Ni2Co)2WC复合电极的析氢催化性能

朱龙章3　陈宇飞　张庆元

(上海师范大学奉贤校区化工系　上海201418)

摘　要　采用复合电沉积方法获得了(Ni2Co)2WC复合电极,考察了复合电极在弱酸性、碱性和中

性介质中的析氢电催化性能,并在弱酸性介质中进行了电化学稳定性实验.结果表明,复合电极具

有优越的析氢电催化性能和良好的电化学稳定性.

关键词　(Ni2Co)2WC复合电极,析氢反应,电催化

析氢反应在电化学能量转换、电化学工业、金属腐蚀和防腐蚀以及金属沉积上具有重要意义.采用价格低廉、析氢催化性能优越的电极材料,延长电极使用寿命,可节约能源,提高效益.有关金属电极、合金电极和单金属基复合电极的析氢催化作用的研究已有很多报道[1～5],但合金基复合电极析氢催化作用研究的报道甚少.本研究在制备Ni2Co合金镀层工作的基础上[6],采用复合电沉积方法在Ni2Co析氢电催化电极中弥散析氢催化材料WC微粒[7,8],制备(Ni2Co)2WC复合电极,并考察复合电极的析氢电催化性能和电化学稳定性.

1　实验部分

1.1　(Ni2Co)2WC复合电极的制备

参照文献[9]方法,制备(Ni2Co)2WC复合电极电镀液组成为NiSO4・6H2O:200g/L, H3BO3:30g/L,CoCl2・6H2O:15g/L,NaCl:10g/L(均为分析纯试剂).电镀在恒温槽中进行,镀液中加入平均粒径为417μm的WC微粒(北京有色金属研究总院产品),采用机械搅拌方法使微粒充分悬浮,溶液温度为50℃,p H为410,阴极电流密度为410A/dm2,然后进行恒电流电镀.阴极试片为1cm2的铁片,垂直放置于镀槽中;阳极采用镍块;电镀过程中定期补充消耗的Co2+离子.改变镀液中WC微粒的悬浮量,制备WC含量不同的复合电极.同时在相同条件下制备了不加WC微粒的Ni2Co合金电极.

1.2　电极性能测试

析氢性能测试采用三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极和Hg/HgO/NaOH(1mol/L)电极,辅助电极为铂片.仪器有XFD28型超低频信号发生器、DJ S2292型恒电位仪和L Z32204型函数记录仪.

采用J SM2840型(日本)扫描电子显微镜观察电极的表面形貌.

测量不同WC含量的复合电极在20℃弱酸性介质(011mol/L H2SO4+015mol/L Na2SO4溶液)、碱性介质(1mol/L NaOH溶液)和中性介质(300g/L NaCl溶液)中的阴极极化曲线,并与Ni2Co合金电极进行比较.测量时,先将电极分别在电解液中稳定30min,测其稳定电位,然后采用动电位扫描测试,扫描速度均为2mV/s.

1998212203收稿,1999205217修回

上海市高等学校科学技术发展基金项目(CL95D15)

2　结果与讨论

2.1　电极的表面形貌

电极的表面形貌示于图1.可以看出,在(Ni 2Co )2WC 复合电极中,WC 微粒比较均匀地弥散在镀层中.与Ni 2Co 合金比较,复合电极由于WC 微粒的共沉积而使镀层的晶粒有所细化,同时镀层的粗糙度也有所增大.实验中也发现,随着WC 微粒含量的增加,镀层的粗糙度随之增加.实验所制得的复合镀层与基体的结合力良好,镀层无裂纹,无脱落

.

图1　电极的表面形貌

a .Ni 2Co 电极;

b .(Ni 2Co )2WC 复合电极

2.2　复合电极的阴极析氢性能

图2　电极的阴极极化曲线

a .弱酸性介质;

b .碱性介质;

c .中性介质

1.Ni 2Co 电极;

2.(Ni 2Co )2WC (φ=6.01%)电极;

3.(Ni 2Co )2WC (φ=22.30%)电极;

4.(Ni 2Co )2WC (φ=31.20%)电极;

5.(Ni 2Co )2WC (φ=23.50%)电极

图2为Ni 2Co 合金电极和不同WC 微粒含量的(Ni 2Co )2WC 复合电极在不同介质中的阴

极极化曲线.可见,无论是在弱酸性介质(a )、

碱性介质(b )还是在中性介质(c )中,当Ni 2Co 镀层中弥散了WC 微粒形成复合电极后,其阴极极化曲线都发生了明显的左移,说明在相同的电流密度下,复合电极的阴极极化值比Ni 2Co 合金电极要小.即若要获得相同的析氢反应速度,复合电极的过电位要比合金电极低.在弱酸性介质中,当阴极电流密度i K 为510A/dm 2时,WC 的体积分数φ为31120%的复合电极比Ni 2Co 合金电极的电位降低约200mV ;在碱性介质中,当i K 为2010A/dm 2时,WC 的φ为31120%的复合电极的电位比合金电极降低约150mV ;在中性介质中,当i K 为410A/dm 2时,WC 的φ为23150%的复合电极比合金电极的

35第4期朱龙章等:(Ni 2Co )2WC 复合电极的析氢催化性能

图3　两种电极恒电流电解曲线电位降低约150mV.从图2也可看出,随着复

合电极中WC 微粒含量的增加,复合电极的析

氢催化活性也有所提高.复合电极析氢催化活

性的提高,一方面是由于复合电极的真实表面

积增大而使电极的真实电流密度降低,从而导

致析氢过电位的降低.另一方面是由于复合电

极降低了析氢反应的标准活化自由焓[5],这相

当于在主催化剂Ni 2Co 中加入了助催化剂

WC ,结果使析氢反应的催化活性增加.

2.3　复合电极的电化学稳定性

将WC 体积分数为23150%的复合电极在弱酸性介质中进行恒电流连续电解,控制阴极

电流密度为510A/dm 2,结果如图3.可以看到,连续电解200h ,电极电位几乎保持不变,且复合电极电位始终比Ni 2Co 电极低200mV 左右,并未发现复合电极材料从基体上脱落的迹象,这说明复合电极在弱酸性介质中具有较好的析氢电化学稳定性及与基体良好的结合力.

参　考　文　献

　1　K ibria M F ,Mridha M S.Khan A H.Int J Hydrogen Energy ,1995,20(6):435

　2　Brossard L.Int J Hydrogen Energy ,1993,18(6):455

　3　Miao H J ,Prion D L.Elect rochim Acta ,1993,38(8);1079

　4　覃奇贤,谭玲生,郭鹤桐.天津大学学报,1991,特刊:80

　5　朱龙章,刘淑兰,覃奇贤等.物理化学学报,1994,10(11):1055

　6　朱龙章,张庆元,陈宇飞等.材料保护,1997,30(5):4

　7　Arul Raj I ,Vasu K I.J A ppl Elect rochem ,1990,20:32

　8　Struck B D ,Neumeister H ,Naoumidis A.Int J Hydrogen Energy ,1986,11(8):541

　9　朱龙章,张庆元,陈宇飞等.电镀与涂饰,1999,18(1):4

The C atalytic Property of (Ni 2Co)2WC Composite E lectrode

for H ydrogen Evolution R eaction

Zhu Longzhang 3,Chen Yufei ,Zhang Qingyuan

(Depart ment of Chem ical Engi neeri ng ,Fengxian Cam pus ,

S hanghai Teachers U niversity ,S hanghai 201418)

Abstract (Ni 2Co )2WC composite electrode was prepared by composite electrodeposition method.Its electrocatalytic property for hydrogen evolution reaction in weak acidic ,basic and neutral me 2dia and electrochemical stability in weak acidic solution have been investigated.The composite electrode showed an excellent electrocatalytic property for hydrogen evolution reaction and good electrochemical stability.

K eyw ords (Ni 2Co )2WC composite electrode ,hydrogen evolution reaction ,electrocatalysis 45应用化学 第16卷