大气等离子喷涂制备梯度多孔电极及其碱式电解水性能研究

目的 探索电极的梯度多孔结构对碱式电解水析氢性能的影响。方法 采用大气等离子喷涂工艺制备不同Al含量的涂层,经化学腐蚀后,得到单一多孔电极和梯度多孔电极。通过SEM/EDS、XPS、XRD和工业CT对样品微观形貌、元素价态、物相等进行表征和分析,采用线性扫描伏安法(LSV)、循环扫描伏安法(CV)和电化学阻抗谱法(EIS)等手段研究样品的析氢性能。结果 通过控制Al的添加量,可以有效控制涂层的孔隙率。通过多组粉末的配合喷涂,成功实现了梯度多孔结构的制备。所制备样品的析氢Tafel斜率都接近于120 mV/dec,其析氢速率控制步骤皆为Volmer过程,即水分子吸附和解离过程。N30A表面最平整,表现出最接近电容的阻抗特性,其电解性能也因此最差;N40A表现出与N50A类似的阻抗特性,但其整体孔隙率较低,因此其电解性能较差;低电流密度下,N50A和N543A表现出十分接近的电解性能,而高电流密度下N543A表现出更加优越的电解性能。结论 梯度多孔结构的引入可以促进电解液的输运,同时提供较好的排气能力,又能保证足够的反应活性位点,因此可以有效提升析氢性能。     

激光选区熔化制备梯度多孔镍电极及其电解水制氢性能

镍是目前应用最广泛的碱式电解水制氢电极材料之一。对镍电极进行多孔化处理,可有效提高其析氢效率并降低制氢能耗。然而,现有报道仅研究了孔隙率、平均孔径等对电极析氢性能的影响,缺乏针对梯度多孔电极孔隙尺寸和分布等影响的研究。为此,设计了4组具有不同孔隙尺寸和排布方式的多孔电极模型,并且采用激光选区熔化技术制备高精度成型电极样品,表征了样品的表面形貌、截面微观组织、电化学性能及稳定性,深入分析和研究了样品的析氢性能。结果表明,4组样品均呈现出粗糙微观表面,为析氢反应提供更多的活性位点。所有样品均表现出优异的电解稳定性,经测试后未见明显的性能衰减。梯度多孔结构有利于气液传质,减小气泡层电阻,降低析氢过电位。当电流密度为10 mA?cm^-2时,梯度多孔样品的析氢过电位虽仅为406 mV,但气液传质效果较差,而气泡层电阻较大的均匀多孔样品的析氢过电位却高达766 mV。梯度多孔结构的构筑可显著提高镍电极的析氢动力学特性,梯度多孔样品的Tafel斜率最低为129 mV?dec^-1,明显低于均匀多孔电极的Tafel斜率168和211 mV?dec^-1。析氢过程受Volmer步骤控制,尽管镍电极析氢动力学特性得到提升,但并未改变镍电极的析氢机理,所有样品的Tafel斜率均高于120 mV?dec^-1。因此,引入梯度多孔结构可有效降低镍电极材料的析氢过电位,提升析氢性能。本研究为镍电极的结构优化设计及析氢性能的提升,提供了新思路。