基于TiN制備耐腐蝕電極材料及在能源領(lǐng)域的應(yīng)用.pdf

1、隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步和高速發(fā)展，當(dāng)前能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)問題日益突出。以石油為代表的一次能源消耗急劇增高，一次能源的資源和供應(yīng)緊張以及由此產(chǎn)生的環(huán)境影響壓力日益嚴(yán)峻，石油和煤炭?jī)r(jià)格飛漲，在這樣的背景下新能源的發(fā)展日益受到重視，一些可再生能源得到了迅速發(fā)展。 電化學(xué)技術(shù)具有環(huán)境友好和高效的特點(diǎn)，恰恰能滿足這一發(fā)展需求，因而電化學(xué)技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛重視。電化學(xué)技術(shù)的核心是電化學(xué)裝置，而裝置的核心是電極材料。 本文

2、基于TiN材料的特殊功能，創(chuàng)造性地發(fā)明了新的納米粉體制備方法，發(fā)明了一系列新型電極材料，并在質(zhì)子交換膜(PEM)水電解、低溫燃料電池和脫硫海水恢復(fù)系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。通過掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、掃描隧道顯微鏡(STM)、χ射線衍射(XRD)和光電子能譜(XPS)分析了形態(tài)和結(jié)構(gòu)，基于電化學(xué)測(cè)試評(píng)價(jià)了電極材料的電催化性能和穩(wěn)定性能。主要研究結(jié)果有： 基于TiN涂層的耐腐蝕性和導(dǎo)電性，制備了TiN基IrO2+Ta

3、2O5涂層，其具有多孔性結(jié)構(gòu)，以及很高的析氫、析氧電催化活性。強(qiáng)化壽命實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該種涂層使用壽命高于傳統(tǒng)的Ti基涂層，表明TiN作為此類催化電極的載體是可行的。 基于TiN涂層的耐腐蝕性和導(dǎo)電性，開發(fā)了低溫氧化鈍化膜復(fù)合TiN的不銹鋼雙極板表面改性技術(shù)。表面改性處理后的不銹鋼雙極板，在30％硫酸溶液中耐陰極還原和陽(yáng)極氧化性能，在從陰極電位-0.2Vvs．SCE到陽(yáng)極電位+1.0vvs．SCE范圍內(nèi)，電流密度最大不超過10μA/cm

4、2，面接觸電阻為10mΩ·cm2。因此，從耐腐蝕性、導(dǎo)電性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性上可以滿足PEMFC的使用要求。 基于納米粉體TiN的高反應(yīng)活性，發(fā)明了TiN浸漬-熱分解法，制備IrOx-TiO2粉體催化劑，并應(yīng)用于PEM水電解。TiN前體熱氧化生成的新生態(tài)TiO2具有很高的反應(yīng)活性，易于發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)。通過浸漬形成了特殊的氧化分解條件，使得TiN的熱分解產(chǎn)物為金紅石相結(jié)構(gòu)，這種相結(jié)構(gòu)易于同氯銥酸的熱分解產(chǎn)物形成IrOx-TiO2固溶體

5、。PEM水電解測(cè)試表明，在銥擔(dān)載量為1.2mgcm-2，電解溫度80℃，工作電流密度1Acm-2下，槽壓為1.6V。說明TiN浸漬-熱分解法是制備低載量、高催化性能的水電解催化劑的理想方法。 基于TiN浸漬-熱分解法，合成了RuO2-TiO2納米粉體和IrOx-TiO2納米粉體，并以其為載體制備Pt/RuO2-TiO2和Pt/IrOx-TiO2，并應(yīng)用于PEMFC。在0.5 mol/LH2SO4溶液中的極化曲線和在0.5mol/

6、L H2SO4+0.5mol/L CH3OH溶液中的循環(huán)伏安曲線測(cè)試發(fā)現(xiàn)擔(dān)載Pt與RuO2-TiO2、IrOx-TiO2具有協(xié)同作用，因而具有優(yōu)異的對(duì)析氫、析氧和甲醇氧化反應(yīng)的電催化性能。質(zhì)子交換膜燃料電池測(cè)試初步表明Pt/RuO2-TiO2具有高的氧陰極還原反應(yīng)催化活性，進(jìn)一步的反極實(shí)驗(yàn)證明其具有比Pt/C更好的穩(wěn)定性。 基于TiN浸漬-熱分解法，制備含有IrOx-TiO2中間層的Ti/IrOx-TiO2/IrO2涂層電極，并

7、應(yīng)用于PEM水電解集流板。IrOx-TiO2中間層的加入沒有改變傳統(tǒng)的鈦基氧化銥電極的形貌特征和組成，并使電極具有相同的電催化響應(yīng)特性，同時(shí)大大提高了鈦基氧化銥電極的使用壽命。制備該電極的最優(yōu)條件：焙燒溫度為450℃，中間層Ir/Ti摩爾比為0.6/0.4。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用表明，以Ti/IrOx-TiO2/IrO2為涂層的PEM水電解集流板面接觸電阻只有3mΩ·cm2，具有優(yōu)異的綜合性能。 基于TiN浸漬-熱分解法，制備了IrOx-

8、TiO2為中間層的Ti/TiO2-IrOx/IrO2-SnO2電極，并應(yīng)用于電解海水恢復(fù)系統(tǒng)。該電極具有較好的析氯選擇特性，“氯氧差”為150±10mV。使用該電極在電解條件為pH3.5，NaCl3.5％，電解液量265ml，25℃，電流密度200mA/cm2的條件下，電催化氧化脫硫海水模擬液5min后Na2SO3去除率為41.9％，COD去除率為32.7％；電催化氧化15min后Na2SO3去除率可達(dá)90.9％，COD去除率為82.6