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题名:
超重力强化电解制氢及电沉积高效析氢电极
作者: 王明涌
学位类别: 博士
答辩日期: 2011-05-21
授予单位: 中国科学院研究生院
导师: 郭占成
关键词: 超重力 ; 电解 ; 析氢反应 ; 电极 ; 电催化活性
其他题名: Intensified Electrolysis for Hydrogen Production and Electrodeposition of Electrode Materials with Excellent Properties for Hydrogen Evolution Reaction under Super Gravity Field
学位专业: 化学工程
中文摘要: 氢气是重要的基础工业原材料,在石油、化工、冶金、航空航天等领域具有广泛的应用。另一方面,受地域性、间歇性和不可存储性等因素的限制,一次再生能源(如太阳能、风能、潮汐能等)的开发与人类的用电周期并不相适应。氢能作为一种可存储的二次清洁能源,在未来最有望成为调节一次可再生能源开发与人类灵活方面地使用清洁能源的中间载体。从资源、环境、氢气纯度等各方面考虑,目前广泛应用的化石燃料制氢显然不符合能源可持续发展的要求。水电解制氢具有技术成熟、原料丰富、过程清洁、氢气纯度高等优点,但高的电解能耗成为该技术的瓶颈问题,目前世界上仅有不到5%的氢气是通过水电解的方法制取。因此,在未来倘要实现氢气产业的可持续发展,就必须设法降低水电解制氢的能耗。本论文基于超重力技术所具有的促进微观混合、强化传质与相间分离等特性,针对水电解制氢能耗高的瓶颈问题,即高的欧姆电压降和反应过电位,将超重力技术应用到水电解领域,从电解过程强化和高效析氢电极制备两个方面着手,实现水电解制氢能耗的降低。相关研究结果也可为揭示超重力对电化学反应过程的影响规律与作用机理提供理论指导。本论文主要取得了如下原创性成果:(1)自主研制了一套多功能集成的超重力电化学实验装置,可互不干扰地同步实现强弱电信号的传输与控制、电极表面图像观测与存储、气体产物在线采集与计量等功能。(2)系统考察了超重力对析氢反应的强化规律及机理,发现超重力能够显著增强氢气的析出反应速率,并且电流密度越大,超重力的强化作用也越大。在超重力条件下,气泡的临界形核体积变小,但其受到的从电解体系中分离的推动力却显著增大,导致电化学反应所产生的氢气泡能够从电极表面和电解液中快速脱离,从而降低析氢反应过电位和欧姆电压降。(3)将超重力技术应用到水电解制氢过程中,研究了超重力对水电解槽电压的影响规律,并解析了超重力场水电解槽电压降低的根源。结果表明,超重力能够显著降低水电解槽电压,并且槽电压与重力系数G的对数成线性关系,当重力系数为451,电流密度为0.5 A cm-2时,槽电压降低0.61 V,最大能量节省可达17%。水电解槽电压的降低主要根源于欧姆电压降的减小和反应过电位的降低,其中前者的贡献率大于70%,并且电流密度越大,欧姆电压降减小的贡献率越大。(4)研究了超重力对析氢反应和析氯反应速率以及氯碱电解过程的影响。结果表明,析氢反应和析氯反应速率均随重力系数的增大而增大。碱性体系中,常重力条件下析氢反应受电化学步骤和扩散步骤混合控制,而超重力场析氢反应受电化学步骤控制。氯碱电解槽电压随重力系数的增大而减小,电流密度为0.3 A cm-2时,超重力可使氯碱电解过电位降低0.21 V。(5)为了制备性能优异的析氢材料,利用超重力强化NiW诱导共沉积过程,系统研究了超重力对电沉积NiW合金形貌、结构、析氢活性和稳定性的影响,并初步探明合金析氢活性和稳定性的增强机制。结果表明,超重力场电沉积的NiW合金晶粒细化,呈非晶态结构,并且表面没有裂纹产生。NiW合金的析氢活性得到显著改善,主要归因于合金本质活性的提高和比表面积的增大,其中前者做出主要的贡献。连续电解过程中,超重力场电沉积NiW合金具有更优异的抗断电能力。由于NiW合金无裂纹的表面形貌以及颗粒细化的非晶态结构,使其在NaOH和NaCl体系中,具有良好的抗腐蚀性能。(6)制备大比表面积的多孔电极材料是提高电极析氢活性的有效途径之一,基于超重力对气泡大小、运动状态等的影响,探索在超重力场以析氢副反应产生的氢气泡为“软模板”,一步法电沉积三维多孔NiMo合金的可行性,考察了NiMo合金的表面形貌、析氢反应活性和电化学稳定性。结果表明,超重力条件下可以电沉积出树状结构的三维多孔NiMo合金,其比表面积和析氢活性随沉积电流密度和电量的增大而增大,并且在循环伏安测试中表现出优异的抗断电能力和长期稳定性。
英文摘要: Hydrogen is important industrial raw material and has been used widely in petrochemical industry, metallurgy, aerospace and so on. On the other hand, it is not synchronous between renewable energy (such as solar energy, wind energy, ocean energy) and power energy demand due to regionalism, intermittence and unstorability of renewable energy. Hydrogen is a kind of storable secondary energy and can be used as energy carrier to adjust the compatibility between renewable energy and power energy demand. Considering the resource, environment and hydrogen purity, it is not reliable to produce hydrogen from fossil fuel in the future. The technology that hydrogen is produced by water electrolysis is mature, and have many advantages such as high purity, simply and green process. However, only about 5% of hydrogen production are accomplished by water electrolysis all over the world. The main reasons are ascribed to high overpotential and large ohmic voltage drop, which would result in high energy consumption. Therefore, it is urgent to reduce energy consumption for water electrolysis.
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1739
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王明涌. 超重力强化电解制氢及电沉积高效析氢电极[D]. 中国科学院研究生院. 2011.
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