鎳鐵復(fù)合氫氧化物析氧陽極的制備及其在電解碳酸鈉中的應(yīng)用研究.pdf

1、碳酸鈉電解在堿溶-碳分法生產(chǎn)氧化鋁以及CO2的解吸中都有重要的應(yīng)用，電解過程中不僅產(chǎn)生常規(guī)水電解所得的氫氣和氧氣，而且分別在陽極室和陰極分別得到NaHCO3和NaOH。其中NaHCO3可以碳分鋁土礦溶出液制備氫氧化鋁或析出高濃度CO2，NaOH可用于鋁土礦的溶解或者捕獲低濃度CO2，從而構(gòu)成工藝的循環(huán):另外，電解產(chǎn)生的氫氣在未來氫能時代也有重要的應(yīng)用。然而，相比于強堿性溶液，碳酸鈉溶液中的析氧動力學(xué)性能差，通常需要較高的析氧電位，增加了

2、能耗，因此設(shè)計和制備一種具有高活性的析氧陽極材料，降低碳酸鈉的電解能耗至關(guān)重要。本文采用原位沉淀法和電沉積法分別在導(dǎo)電碳基底和泡沫鎳基底上負載了高析氧活性Ni-Fe復(fù)合氫氧化物納米片，并將其應(yīng)用于碳酸鈉電解，主要研究內(nèi)容如下:
　　本文首先采用原位沉淀法制備了NiFe(OH)/C/Nifoam復(fù)合電極，并考察了其在1 M KOH溶液中的析氧催化性能，主要研究了不同比例鎳鐵金屬前驅(qū)體鹽、不同的熱處理溫度和不同金屬負載量等因素對電極的

3、析氧性能影響，結(jié)果表明當Ni、Fe金屬鹽比例為5∶3、熱處理溫度為150℃以及金屬鹽/碳質(zhì)量比為7∶5時所制備的電極具有較優(yōu)的析氧催化性能。
　　其次，本文采用電沉積法在高導(dǎo)電性的泡沫鎳基底上快速生長了NiFe(OH)x超薄納米片。主要考察了電沉積電流密度、電沉積時間、電沉積時的電量等電沉積參數(shù)以及電沉積液的pH和金屬鹽陰離子的改變對所制備的NiFe(OH)x/Nifoam電極析氧催化性能的影響。實驗結(jié)果表明，在硫酸鹽體系中，當p

4、H=4時，電沉積電流密度為200 mA cm-2時電沉積360 s所制備的NiFe(OH)x/Nifoam電極具有最佳的催化析氧性能。SEM結(jié)果表明該電極表面形成的由超薄NiFe(OH)x納米片(2-4nm)組裝成的多孔道納米花結(jié)構(gòu)，不僅大大增加了電極表面催化析氧活性位點，而且有利于氧氣的析出。在0.5 M Na2CO3/NaHCO3混合溶液中，在100 mA cm-2的電流密度下，相比于商業(yè)RuO2/Ti電極，NiFe(OH)x/Ni

5、fom電極的析氧電位降低了290 mV。在1M NaOH溶液中電化學(xué)極化控制區(qū)的Tafel斜率僅為28 mV dec-1，10 mA cm-2的工作電流密度下，電極的析氧過電位為254 mV，與文獻中報道的最優(yōu)結(jié)果相當。在氯化鹽溶液中，當電沉積條件為200 mA cm-2-60s時所制備的電極具有最佳的析氧催化性能，與硫酸鹽中NiFe(OH)x/Nifoam電極的最佳析氧催化性能相當。
　　最后，將上述NiFe(OH)x/Nifo

6、am電極作為析氧陽極材料應(yīng)用于碳酸鈉的電解中，降低了槽壓，節(jié)省了能耗。在1.5 M碳酸鈉溶液的電解中，相比于商業(yè)RuO2/Ti陽極電解，NiFe(OH)x/Nifoam陽極的槽壓減少了230 mV。在0.75 M Na2CO3/NaHCO3混合溶液電解的過程中，相比于商業(yè)RuO2/Ti陽極，NiFe(OH)x/Nifoam陽極電解的槽壓降低了280mV，電解后溶液的滴定分析表明陽極酸化效率達到了93.6％，陰極堿化效率到達了87.8％。