Ag/Ni foam電極的制備及其電催化性能的研究

劉 冉，余 艷

(哈爾濱學(xué)院 化學(xué)系，哈爾濱 150086)

Ag/Ni foam電極的制備及其電催化性能的研究

劉 冉，余 艷

(哈爾濱學(xué)院 化學(xué)系，哈爾濱 150086)

本文利用恒電流電沉積法直接將銀粒子沉積到泡沫鎳(Ni foam)基體表面，制得Ag/Ni foam電極，同時(shí)研究了Ag/Ni foam電極催化肼電氧化性能。結(jié)果表明，在含有20.0 mmol·L-1肼的1.0 mol·L-1KOH溶液中，Ag/Ni foam電極上肼的氧化峰電位為-0.34 V，氧化峰電流密度可達(dá)46 mA·cm-2。

肼氧化；銀電極；恒電流法；Ag/Ni foam電極；催化性能

近年來(lái)，由于化石燃料過(guò)度開采帶來(lái)的環(huán)境污染與能源危機(jī)，使得人們對(duì)于清潔能源的需求日益迫切。直接肼燃料電池(DHFC)因其具有產(chǎn)物無(wú)污染、陽(yáng)極氧化過(guò)程不產(chǎn)生使催化劑催化活性降低的物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-3]。

提高肼電氧化反應(yīng)速率有利于提高DHFC的性能，因此，制備高效的肼電氧化催化劑顯得尤為重要。目前，貴金屬鉑[4]、鈀[5]催化肼電氧化活性高，但高昂的價(jià)格限制了它們的應(yīng)用。銀具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)以及可穩(wěn)定存在于堿性肼溶液等特點(diǎn)，常被用于催化肼電氧化[6-8]。本文利用恒電流電沉積法直接將銀粒子沉積到泡沫鎳(Ni foam)基體表面，制得Ag/Ni foam電極，同時(shí)研究了Ag/Ni foam電極催化肼電氧化性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

超聲波震蕩儀(DF-101型，上海誠(chéng)名儀器有限公司)；電化學(xué)分析儀(CHI760E，上海辰華儀器公司)。

實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純，配制溶液和洗滌用水均為去離子水。

1.2 Ag/Ni foam電極的制備

Ag/Ni foam電極的制備在兩電極體系中進(jìn)行，事先預(yù)處理的泡沫鎳和10 mm×20 mm的大鉑片分別做陰極和陽(yáng)極，它們之間的距離保持在2 cm左右，對(duì)電極施加-3 A·cm-2的恒電流，沉積時(shí)間設(shè)定為60 s。電解液組成為0.01 mol·L-1Ag2SO4和1.5 mol·L-1(NH4)2SO4。

1.3 電化學(xué)測(cè)量

循環(huán)伏安測(cè)試(Cyclic Voltammetry，CV)和恒電位測(cè)試(Chronoamperometry，CA)在三電極體系中進(jìn)行，制備的Ag/Ni foam電極、10 mm×20 mm鉑片及Ag/AgCl(飽和KCl)電極分別充當(dāng)工作電極、輔助電極和參比電極。電解液為1.0 mol·L-1KOH+20.0 mmol·L-1N2H4。

2 結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)伏安測(cè)試

圖1為Ag/Ni foam電極和Ni foam基體在1.0 mol·L-1KOH+20.0 mmol·L-1N2H4溶液中的CV曲線，掃速為0.01 V·s-1。從Ag/Ni foam電極在1.0 mol·L-1KOH+20.0 mmol·L-1N2H4中的CV曲線可以看到，Ag/Ni foam電極上肼的氧化峰電位為-0.34 V，峰電流密度為46 mA·cm-2。同時(shí)，在CV曲線上沒(méi)有觀察到肼的還原峰，這一現(xiàn)象說(shuō)明肼在Ag/Ni foam電極上電氧化的不可逆性。由于肼電氧化過(guò)程中產(chǎn)生氮?dú)?，氣體吸附在電極表面干擾測(cè)試，使CV曲線呈現(xiàn)一定程度地抖動(dòng)。另外，Ni foam基體的CV曲線未出現(xiàn)明顯的氧化峰及還原峰，表明Ni foam基體對(duì)肼的電氧化不起催化作用，真正起催化作用的物質(zhì)是銀粒子。

圖1 (a)Ag/Ni foam電極和(b)Ni foam基體在1.0 mol·L-1 KOH+20.0 mmol·L-1 N2H4溶液中的循環(huán)伏安曲線，掃速為10 mV·s-1Fig.1 Cyclic voltammograms of (a) Ag/Ni foam electrode and (b) Ni foam in 1.0 mol·L-1 KOH + 20.0 mmol·L-1 N2H4 at a scan rate of 10 mV·s-1

2.2 恒電位測(cè)試

圖2表示在-0.5 V(a)和-0.55 V(b)兩個(gè)電位下，Ag/Ni foam電極在1.0 mol·L-1KOH+20.0 mmol·L-1N2H4中的計(jì)時(shí)電流曲線，測(cè)定時(shí)間為1 000 s。由曲線可以看到電位越正，產(chǎn)生的電流也就越高。這是由于電位越正，對(duì)肼電氧化的過(guò)電位越大，發(fā)生反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力越大，反應(yīng)越快，因此，產(chǎn)生的電流越大。由圖2可知，在最初幾十秒內(nèi)，電流衰減較為嚴(yán)重，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是在測(cè)試過(guò)程中，Ag/Ni foam電極附近肼濃度迅速降低。隨后電流密度只發(fā)生微弱地衰減。

2.3 掃描速度的影響

圖3表示不同掃速下，Ag/Ni foam電極在1 mol·L-1KOH +20 mmol·L-1N2H4溶液中的CV曲線。在掃速?gòu)?0 mV·s-1升高到110 mV·s-1過(guò)程中，肼的氧化峰電位從-0.27 V逐漸正向移動(dòng)到-0.01 V，峰電流密度從62.7 mA·cm-2逐漸增加到127 mA·cm-2。這說(shuō)明肼在Ag/Ni foam電極上的電氧化過(guò)程完全不可逆。

圖2 Ag/Ni foam電極在1.0 mol·L-1 KOH+20.0 mmol·L-1 N2H4溶液中不同電位下的計(jì)時(shí)電流曲線Fig.2 Chronoamperometric curves of the Ag/Ni foam electrode in 1.0 mol·L-1 KOH+20.0 mmol·L-1 N2H4 at different potentials

圖3 Ag/Ni foam電極在1.0 mol·L-1 KOH+20.0 mmol·L-1 N2H4中不同掃速下的循環(huán)伏安曲線Fig.3 Cyclic voltammograms of the Ag/Ni foam electrode in 1.0 mol·L-1 KOH+20.0 mmol·L-1 N2H4 at different scan rates

圖4表示不同掃速下肼的氧化峰電流密度ip與掃速平方根v1/2的關(guān)系圖。由圖4可以清楚地看出，ip與v1/2間呈現(xiàn)一種良好的線性關(guān)系，表明在Ag/Ni foam電極上的肼電氧化反應(yīng)是一個(gè)受擴(kuò)散控制的過(guò)程。

圖4 ip與v1/2的關(guān)系曲線Fig.4 Plot of ip versus v1/2

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用恒電流法一步制備出Ag/Ni foam電極。

在含有20.0 mmol·L-1肼的1.0 mol·L-1KOH溶液中，Ag/Ni foam電極上肼的氧化峰電位和峰電流密度分別為-0.34 V和46 mA·cm-2。較高的催化活性使Ag/Ni foam電極可用作DHFC陽(yáng)極催化劑。

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PreparationofNifoamsupportedAgelectrodeanditselectrocatalyticperformance

LIU Ran, YU Yan

(Department of Chemistry, Harbin University, Harbin 150086, China)

Silver particles were directly deposited on Ni foam substrate by a galvanostatic electrodeposition method. The electrocatalytic performance of the Ag/Ni foam electrode for hydrazine electrooxidation was examined by cyclic voltammetry and chronoamperometry. An oxidation peak potential of -0.34 V and an oxidation peak current density of 46 mA·cm-2were achieved in the solution containing 1.0 mol·L-1KOH and 20.0 mmol·L-1hydrazine. Moreover, hydrazine electrooxidation on the Ag/Ni foam electrode is an irreversible process and controlled by a diffusion process.

Hydrazine oxidation; Silver electrode; Galvanostatic method; Ni foam supported Ag electrode; Electrocatalytic performance

O643.3

A

1674-8646(2017)18-0006-02

2017-07-07

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“銅片負(fù)載多孔銅催化劑的制備及其催化肼電氧化性能的研究”(12543043)

劉冉(1979-)，女，博士，講師。