Влияние плотности тока на структуру электролитических пен никеля и их каталитические свойства при получении водорода
Аннотация
Изучено влияние плотности тока на закономерности процессов осаждения никелевых пен. Пористые пены никеля получали методом электрохимического осаждения в гальваностатическом режиме при плотностях тока 0.3, 0.6, 0.9 и 1.2 А·см–2. Полученные осадки представляли собой высокопористые структуры, хорошо сцепленные с материалом подложки. Характерной особенностью электролитических пен являлось наличие макро- и микропор.
Исследованы особенности формирования системы макропор. Установлено, что при низких скоростях выделения водорода происходит постепенное формирование пористой структуры, а при высоких – формирование структуры матрицы заканчивается в первые минуты электролиза. Показано, что логнормальное распределение может быть использовано для описания формирования водородного темплата как системы макропор электролитических пен никеля в широком диапазоне плотностей тока. Предложена методика оценки макропористости никелевых пен на основе данных о доле поверхности, занятой макропорами. На основе данных о массе и объеме электролитических
пен рассчитана общая пористость осадков. Каталитическая активность полученных пористых электродов по отношению к реакции выделения водорода была проанализирована в растворе щелочи. В качестве критерия эффективности никелевых пен использовали величину деполяризации при плотности тока получения водорода 0.3 А·см–2. Величина деполяризации для полученных осадков изменяется в широком диапазоне от 170 до 400 мВ и в значительной степени зависит от условий синтеза пен и их толщины.
Установлено, что пены никеля, полученные при 1.2 А·см–2, проявляют наилучшие каталитические свойства благодаря их однородной структуре, характеризующейся наличием большого количества макропор равномерно распределенных по объему, что обеспечивает максимальный доступ реагирующих частиц к поверхности электрода.
Скачивания
Литература
Li X., Zhao L., Yu J., Liu X., Zhang X., Liu H., Zhou W. Water splitting: from electrode to green energy system. Nano-Micro Letters. 2020;12: 131. https://doi.org/10.1007/s40820-020-00469-3
Herraiz-Cardona I., Ortega E., Vázquez-Gómez L., Pérez-Herranz V. Double-template fabrication of three-dimensional porous nickel electrodes for hydrogen evolution reaction. International journal of hydrogen energy. 2012;37(3): 2147–2156. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.09.155
Siwek K. I., Eugenio S., Santos D. M. F., Silva M. T., Montemor M. F. 3D nickel foams with controlled morphologies for hydrogen evolution reaction in highly alkaline media. International journal of hydrogen energy. 2019;44(3): 1701–1709. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.11.070
Swain N., Mitra A., Saravanakumar B., Balasingam S. K., Mohanty S., Nayak S. K., Ramadoss A., Construction of three-dimensional MnO2/Ni network as an efficient electrode material for high performance supercapacitors. Electrochimica Acta. 2020;342: 136041. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.136041
Shi Y., Zhang L., Zhang Y., Li J., Fu Q., Zhu X., Liao Q. Construction of a hierarchical porous surface composite electrode by dynamic hydrogen bubble template electrodeposition for ultrahigh-performance thermally regenerative ammonia-based batteries. Chemical Engineering Journal. 2021;423: 130339. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130339
Qiu, H., Tang, T., Asif, M., Huang, X., Hou, Y. 3D porous Cu current collectors derived by hydrogen bubble dynamic template for enhanced Li metal anode performance. Advanced Functional Materials. 2019;29: 1808468. https://doi.org/10.1002/adfm.201808468
Yu X., Yuan Z. The structure evolution mechanism of Ni films depending on hydrogen evolution propertyduring electrodeposition process. Metallurgical and Materials Transactions B. 2019;50: 587–594. https://doi.org/10.1007/s11663-019-01512-4
Sengupta S., Patra A., Jena S., Das K., Das S. A study on the effect of electrodeposition parameters on the morphology of porous nickel electrodeposits. Metallurgical and Materials Transactions A. 2018;49: 920–937. https://doi.org/10.1007/s11661-017-4452-8
González-Buch C., Herraiz-Cardona I., Ortega E., García-Antón J., Pérez-Herranz V. Synthesis and characterization of macroporous Ni, Co and Ni–Co electrocatalytic deposits for hydrogen evolution reaction in alkaline media. International Journal of Hydrogen Energy. 2013;38(25): 10157–10169. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.06.016
Vainoris M., Tsyntsaru N., Cesiulis H. Modified electrodeposited cobalt foam coatings as sensors for detection of free chlorine in water. Coatings. 2019;9: 306. https://doi.org/10.3390/coatings9050306
Zhang H., Ye Y., Shen R., Ru Ch., Hu Y. Effect of bubble behavior on the morphology of foamed porous copper prepared via electrodeposition. Journal of The Electrochemical Society. 2013;160: D441. https://doi.org/10.1149/2.019310jes
Cui L., Hu L., Shen Q., Liu X., Jia H., Xue J. Three-dimensional porous Cu2O with dendrite for efficient photocatalytic reduction of CO2 under visible light. Applied Surface Science. 2022;581: 152343. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.152343
Teng X., Wang J., Ji L., Liu Y., Zhang C., Chen Z. Fabrication of three-dimensional multiscale porous alloy foams at a planar substrate for efficient water splitting. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2019;7(5): 5412–5419. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b06452
Eugénio S., Demirci U. B., Silva T. M., Carmezim M. J., Montemor M. F. Copper-cobalt foams as active and stable catalysts for hydrogen release by hydrolysis of sodium borohydride. International Journal of Hydrogen Energy. 2016;41(20): 8438–8448. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.03.122
Swain N., Saravanakumar B., Mohanty S., Ramadoss A., Engineering of thermally converted 3D-NiOCo3O4/Ni//3D-°-Fe4NC@Ni/SS porous electrodes for high-performance supercapatteries. Electrochimica Acta. 2022;412: 140076. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.140076
Mirzaee M., Dehghanian Ch. Nanostructured Ni-Cu foam electrodepositedon a copper substrate applied as supercapacitor electrode. Acta Metallurgica Slovaca. 2018;24: 325–336. https://doi.org/10.12776/ams.v24i4.1138
Trofimova T. S., Ostanina T. N., Nikitin V. S., Rudoi V. M., Ostanin N. I., Trofimov A. A. Modeling of the porous nickel deposits formation and assessing the effect of their thickness on the catalytic properties toward the hydrogen evolution reaction. International Journal of Hydrogen Energy. 2021;46: 16857–16867. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.02.093
Marozzi C. A., Chialvo A. C. Development of electrode morphologies of interest in electrocatalysis. Part 1: Electrodeposited porous nickel electrodes. Electrochimica Acta. 2000;45: 2111–2120. https://doi.org/10.1016/S0013-4686(99)00422-3
Diggle J. W., Despic A. R., Bockris J. O. The mechanism of the dendritic electrocrystallization of zinc. Journal of The Electrochemical Society. 1969;116: 1503. https://doi.org/10.1149/1.2411588
Eugénio S., Silva T. M., Carmezim M. J., Duarte R. G., Montemor M. . Electrodeposition and characterization of nickel-copper metallic foams for application as electrodes for supercapacitors. Journal of Applied Electrochemistry. 2014;44: 455–65. https://doi.org/10.1007/s10800-013-0646-y
Trofimova T. S., Darintseva A. B., Ostanina T. N., Rudoi V. M., Il’ina I.E. Effect of the structure and morphology of Ni-based porous deposits on their electrocatalytic activity towards hydrogen evolution reaction. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings. 2021;(4): 57–67. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-4-57-67
Eadie W. T., Dryard D., James F. E., Roos M., Sadoulet B. Statistical methods in experimental physics. North-Holland, Amsterdam; 1971. 296 p.
Bernäcker C. I., Rauscher T., Büttner T., Kieback B., Röntzsch L. A Powder metallurgy route to rroduce raney-nickel electrodes for alkaline water electrolysis. Journal of The Electrochemical Society. 2019; 166(6): F357–F363. https://doi.org/10.1149/2.0851904jes
Copyright (c) 2023 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
