PDF《Ni/NiCo2O4 复合电极的制备及其在碱性介质中的析氧性能》

Revised: August 29, 2011;

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2849 Acta Phys. -Chim. Sin.

2011 Vol.27 Key Words: Ni/NiCo2O4;

Spinel;

Composite electrodeposition;

Oxygen evolution electrode;

Stability

1 引言电解水制备高纯氢气或氧气是当今国内外科 研工作者关注的领域. 析氧是水电解过程中能耗 大、 效率低的主要原因, 这就要求阳极电极要有尽 可能低的析氧过电位.1-7 目前碱性水电解体系大多 采用镍、 钴、 贵金属或其氧化物作为电催化阳极, 特 别是尖晶石型复合氧化物如NiCo2O4 和钙钛矿型复 合氧化物如 LaNiO3 等是最有发展前景的析氧电催 化剂, 但是该类电极的制备一般先制备复合催化剂 粉末, 然后将其与一定比例的胶黏剂混合, 涂覆在 镍基体上.8-11 实际使用表明该电极基体与活性涂覆 层之间结合力不好, 内阻较大, 造成电极稳定性差、 寿命短等, 限制了其应用.12-15 针对上述缺点, 本研究采用共沉淀法制备具有 高催化活性的尖晶石型复合氧化物 NiCo2O4,16,17 然 后用复合电沉积法制备了 Ni/NiCo2O4 电极. 结果表 明该电极稳定性很好. 本文探索了复合电沉积制备 Ni/NiCo2O4 镀层的工艺条件, 采用扫描电镜、 能谱仪 和X射线衍射等方法表征了复合镀层的表面形貌、 颗粒含量及结构. 最后, 在浓碱电解液中运用循环 伏安、 稳态极化、 电化学阻抗分析、 长时间恒电位电 解等电化学实验评价了Ni/NiCo2O4复合电极的析氧 电催化性能和电极的稳定性.18-21

2 实验2.1 主要试剂和仪器 主要试剂: 氯化镍(NiCl2 ・ 6H2O)、 氯化钴(CoCl2 ・ 6H2O)、 草酸(C2H2O4 ・ H2O)、 硫酸镍(NiSO4 ・ 6H2O)、 硼酸(H3BO3)、 十二烷基硫酸钠(C12H25NaO4S)、 筛选的 表面活性剂、 氢氧化钾(KOH)、 氨水(25%), 除十二烷 基硫酸钠为化学纯, 其余试剂均为分析纯, 草酸、 硼酸、 十二烷基硫酸钠、 氨水为汕头市西陇化工厂有 限公司生产, 其余皆为国药集团化学试剂有限公司 生产. 主要仪器: ZF-9 恒电位/恒电流仪(上海正方电 子电器有限公司)、 DF-102Z型集热式恒温加热磁力 搅拌器(郑州长城科工贸有限公司)、 UB-7型酸度计 (丹佛仪器有限公司)、 TP-114型精密电子天平(丹佛 仪器有限公司)、 KQ-300DB型数控超声波清洗仪(昆 山市超声仪器有限公司)、 DGG-9053A 型电热恒温 鼓风干燥箱(上海森信实验仪器有限公司)、 SXL-1208型程控箱式电炉(马弗炉)、 CHI-630D型电 化学工作站(上海辰华仪器公司)、 Parstat

2273 型电 化学工作站(美国Princeton Applied Research 公司). 2.2 尖晶石型复合氧化物NiCo2O4粉体的制备22,23 配制摩尔比为1:2的NiCl2 ・ 6H2O和CoCl2 ・ 6H2O 的混合液, 用氨水调pH值为6-7, 加入80 °C的35% 的草酸溶液, 搅拌、 静置、 过滤, 洗涤后得草酸盐先 驱物, 蒸干后在马弗炉内300 °C煅烧5.0 h, 研磨, 得 到粉末状尖晶石型复合氧化物NiCo2O4. 2.3 复合电极的制备 电沉积体系: 阳极为镍板(规格

5 cm*7 cm*0.5 cm), 阴极为黄铜片(规格1.5 cm*1.5 cm*0.2 cm), 非 工作面用聚丙烯酸酯绝缘. 镀液组成: NiSO4 ・ 6H2O (300 g・L-1 )、 NiCl2 ・6H2O (50 g・L-1 )、 H3BO3 (40 g・ L-1 )、 表面活性剂(1 g・L-1 )、 自制的 NiCo2O4 粉体(50 g ・ L-1 ). 在恒温水浴45 °C下, 镀液静置, 先对基体进 行预镀镍, 约2-3 min后慢速磁力搅拌镀液, 进行复 合电沉积. 通过改变镀液的 pH 值和阴极电流密度 jk, 探索最佳施镀条件. 基体前处理: 电沉积前黄铜片先经过1#氧化铝 砂布打磨, 再依次经过 4#-6#晶相 SiC 砂纸打磨平 整光亮, 分别用弱碱除油和稀酸除锈, 再用蒸馏水 冲洗, 随后将处理过的黄铜片作为阴极进行电沉 积. 2.4 电极结构及电化学性能测试 用日本 Hitachi 公司生产的 S-3500N 扫描电子 显微镜(SEM)观察复合氧化物颗粒以及复合镀层的 表面形貌, 复合氧化物和镀层的成分分析用该扫描 电子显电镜附带的 ISIS-300 能谱仪(EDS,英国牛津 公司)测定, 所用基体为3.0 cm*1.0 cm*0.05 cm紫铜 片. 复合氧化物及其镀层的结构分析用 Panalytical X?pert PRO 粉末衍射(XRD)仪, 扫描速率为