Pt-Fe双金属纳米粒子修饰泡沫镍电极的可控制备及析氢性能研究

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能源危机和环境问题是影响人类经济及社会可持续发展的两大关键因素。日益增长的能源需求,加上不可避免的损耗,引起了人们对能源危机和环境问题的关注,激发了人们寻找一种清洁并且可再生能源的动力。氢能具有环境友好、高效及可再生等优点,它被认为是一种理想的能源载体。电解水制氢技术是一种制备高纯度氢的重要方法,为了降低电解水制氢的能耗,研制高催化活性、低过电位及良好稳定性的析氢材料具有非常重要的意义。目前,泡沫镍(NF)行业慢慢的向产业化、规模化方向发展,能够提供足够廉价的基底材料。同时,Pt电极是HER性能最高的催化剂。本研究以NF电极为基地材料,通过电沉积法+浸渍沉积法制备了 Pt-Fe/NF电极,并且探讨电沉积电流强度、电沉积时间、Pt负载量、浸渍温度及浸渍时间对Pt-Fe/NF电极的析氢性能影响及确定最佳工艺参数。并进一步讨论所制备电极在 0.05 mol·L-1 H2SO4、0.05 mol·L-1 磷酸盐缓冲液(PBS)及 0.05 mol·L-1KOH溶液中的电化学性能。最后,研究Pt-Fe/NF电极在0.05 mol·L-1 KOH溶液中的析氢机理。得到如下结论:(1)电沉积制备和浸渍沉积制备条件以及固定的参数对Pt-Fe/NF电极表面的形貌、组成及电催化析氢性能均具有一定的影响。实验结果可得,Pt-Fe/NF电极最佳工艺参数是:电沉积电流强度为10mA、电沉积时间为30 min、Pt理论负载量为0.1951 mg·cm-2、浸渍温度为30 ℃及浸渍时间为4 h、FeSO4-7H2O 0.015 mol·L-1、Na2SO4 0.010 mol·L-1、CTAB 0.001 mol·L-1及水浴恒温振荡器的转速为120 r·min-1。(2)在最佳工艺参数下制备了 Pt-Fe/NF电极,采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)及电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)进行分析其微观形貌及元素组成。结果表明:Fe和Pt纳米粒子成功负载到NF电极上,并且以Pt0和Fe0形式存在;此外,确定了 Pt-Fe/NF电极中Pt的实际负载量为 0.1500 mg·cm-2。(3)通过线性扫描伏安法(LSV)、交流阻抗测试(EIS)及电极稳定性研究了 Pt-Fe/NF、Pt/NF 和 NF 电极在 0.05 mol·L-1 H2SO4、0.05 mol·L-1PBS及0.05 mol·L-1KOH溶液中的电化学性能。结果表明:Pt-Fe/NF电极在三种溶液均具有最高的催化活性,再根据电极的稳定性可知,Pt-Fe/NF电极在碱性电解液中稳定性最好。(4)与NF和Pt/NF电极相比,Pt-Fe/NF电极的电催化活性最高。存在的原因:(a)Fe纳米粒子的引入有利于Pt负载到泡沫镍电极上;(b)Fe和Pt粒子以簇状形态存在Pt-Fe/NF电极表面,增加了复合电极的真实表面积,并且Pt-Fe/NF电极表面的Pt和Fe价态都基本为零;(c)Pt-Fe/NF电极表面形成了非晶型的铁镍合金,使金属间产生了协同作用。(5)通过EIS、电化学活性表面积(ECSA)及Tafel斜率研究了 Pt-Fe/NF电极在0.05 mol·L-1KOH溶液中的析氢反应动力学。结果如下:Pt-Fe/NF电极塔菲尔斜率是59.90 mV dec-1,则确定其析氢反应机理是Volmer-Heyrovsky,速控步骤为Heyrovsky反应;Pt-Fe/NF电极的交换电流密度为8.538×10-3mAcm-2、电容为69.10mFcm-2及电荷转移电阻(Rct)为3.224Ω,这些动力学参数均表明了 Pt-Fe/NF电极具有高效的析氢性能。
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