在水电解制氢工业中,较高的阳极过电位是造成电解过程能量转化效率低的一个重要原因,因此研究和开发高性能阳极材料,降低析氧过电位是目前碱性水电解研究的一个主要任务。具有析氧电催化活性的阳极材料有许多种,但能用于工业化的却为数不多。考虑实际应用,对工业电极材料的要求主要有以下几点:(1)高表面积;(2)高导电性;(3)良好的电催化活性;(4)长期的机械和化学稳定性;(5)小气泡析出;(6)高选择性;(7)易得到和低费用;(8)安全性。由于实际应用中使用较大的电流密度,(2)、(3)、(4)三点就显得非常重要。因为高导电性可以降低欧姆极化引起的能量损失,高稳定性可以保证电极材料的长寿命。高催化活性是降低析氧电极过电位的主要途径之一,也是评价电极性能的重要指标,是尤其值得重视的。本论文就围绕高催化活性的析氧电极材料的制备与应用展开了广泛的研究,论文主要研究内容如下:1.以泡沫镍为基体材料,将其放入Ni(NO3)2、Co(NO3)2和Ce(NO3)3的混合溶液中进行阴极电沉积,获得Ni(OH)2、Co(OH)2和Ce(OH)3的复合薄膜;然后在300℃进行热分解,通过转化后,获得泡沫镍/Ni-Ce-Co-O复合氧化物薄膜电极,然后采用电化学方法对其催化性能进行测试。通过与泡沫镍电极以及泡沫镍/Ni-Co-O电极对比,发现此电极有着较好的电催化活性。在30% KOH溶液中,4000A/m2的电流密度下,其极化电位为0.641V,比泡沫镍电极降低了129mV,比泡沫镍/Ni-Co-O复合氧化物膜电极降低了46mV。因此,在Ni-Co-O复合氧化物膜中引入稀土元素Ce能明显的提高电极的催化活性。制备此电极的最佳工艺条件为:热分解温度为300℃,沉积电流密度为8mA/cm2,沉积时间为30min,每100ml 0.1mol/L的Ni(NO3)2和0.2mol/L的Co(NO3)2混合溶液中添加40ml 0.1mol/L的Ce(NO3)3后,获得的电极将拥有最高的电催化活性。2.通过在0.1mol/L的Ni(NO3)2和0.2mol/L的Co(NO3)2混合溶液中添加一定量的KOH溶液,使其完全转化为Ni(OH)2和Co(OH)2沉淀,过滤掉溶液中的杂质离子,然后向沉淀物中添加一定量的NH3·H2O,使其溶解,形成氨水络合物。然后通过浸渍―热分解的方法制备出泡沫镍/镍钴复合氧化物膜电极。经电化学测试后发现此电极催化效果较好,在4000A/m2电流密度下其极化电位为0.638伏,比泡沫镍电极和由热分解硝酸镍钴盐制备的复合氧化物膜电极的极化电位分别降低了132mV和103mV。此复合氧化物膜电极表面的物相成份是通过XRD方法进行表征的,结果表明:通过此法制备的镍钴复合氧化物膜主要成份为NiCo2O4。制备此电极的最佳工艺条件为: C [Ni(NH 3) 6 ] (OH)2=0.1mol/L ,C Co(OH)2 ? NH3=0.2mol/L;浸渍-热分解次数为7次,热分解温度为300℃。3.采用热分解乙酸盐及其硝酸盐的方法制备碱性水电解的析氧电极,研究了Ce3+的含量、热分解温度、涂层次数对电极电催化活性的影响。结果表明,当C Ni2+: C Ce3+: C Co2+=0.4:0.6:2时,电极显示出较好的催化活性。浸渍-热分解次数的多少影响复合氧化物膜层的覆盖度及其厚度,过多或者过少对膜电极的催化性能都有影响。阳极极化曲线和循环伏安曲线表明,当C Ni2+为0.06mol/L, C Ce3+为0.04mol/L, C Co2+为0.2mol/L时,浸渍-热分解7次效果最佳。温度影响复合氧化物的组成,进而影响其催化性能。电化学试验表明,当热分解温度为340℃时,获得的复合氧化物拥有最高的催化活性。XRD分析表明,在此温度下得到的复合氧化物主要成份为NiCo2O4和CeO2。由于图谱上氧化物的特征峰较低,可以判断出此复合氧化物为结晶度较差的混合物。从电极表面的SEM扫描照片可以看出,在引入Ce元素以后的电极表面出现很多凸起的小颗粒,极大地增大了电极的微观表面积,BET比表面分析数据证明了这一结论,因而极大地提高了电极的电催化性能。通过对不同方法制得电极的极化曲线、循环伏安曲线对比,可以得出乙酸盐与Ce元素都是提高电极催化活性的有利因素。电极的稳定性是在天津大陆制氢有限公司进行测试的,通过长达100小时的试验,可以发现此电极不仅催化效果较好,而且性能稳定。在电流密度为4000A/m2时,电解水的槽压仅为1.93V,比泡沫镍电极的槽压降低了约250 mV左右。制备此电极的最佳工艺条件: 1、采用热分解乙酸盐的方法; 2、C Ni2+: C Ce3+: C Co2+=0.4:0.6:2;3、浸渍-热分解7次;4、热分解温度为340℃。