Ni/AC膜电极-铝合金储氢电池的研究

 

 

 

摘要••采用化学还原法制备了以椰壳活性炭（AC)为载体的Ni/AC电催化剂.将Ni/AC电 催化剂制作成膜电极，与铝合金一起组成了一种全新概念的高效、安全、廉价的Ni/AC膜电 极-铝合金储氢电池.运用SEM和XRD对Ni/AC电催化剂的形貌和结构进行了分析，通过 稳态极化曲线研究了 Ni/AC膜电极在中性电解液中的电催化活性，将Ni/AC膜电极与铝合金 组装成的模拟电池进行了恒流放电实验以研究其产氢量和放电性能.结果表明，镍在活性炭上 的负载量为50%时，活性炭上沉积的镍颗粒最小；采用镍负载量为50%的Ni/AC电催化剂的 Ni/AC膜电极的电催化活性最高，将其作为正极的储氢电池不仅放电性能好，产氢量也大. 关键词：Ni/AC电催化剂；储氢电池；中性电解液；产氢量 中图分类号：TM911 文献标识码：A

 

1引言

 

氢能作为一种无污染的二次能源由于具有资源丰富，氢燃烧热值大且燃烧产物是水， 不会造成环境污染等诸多突出优点，受到世界各国的普遍重视.专家预言，氢能与电力将成 为21世纪新能源体系的两大支柱.

 

氢气的储存、运输及释放是氢能开发利用的前提条件之一.目前，氢气的制造方法有 光催化和生物催化[卜、电解水制氢[5、甲烷气重整[8，9】等途径.传统的氢气储存与运 输方式主要有高压氢气储存和运输以及低温液态氢储存和运输，但这两种方式都存在成本 高，安全稳定性差等缺点.为此，将氢以原子态储存于合金中而形成的固态金属氢化物储放 氢技术，由于其较传统的气态及液态储放氢技术在安全性、经济性等方面所具有的显著优 势，近年已成为储氢技术研究开发的重点固态金属氢化物储放氢技术虽然较传统的 气态及液态储放氢技术大大前进了一步，但如何进一步提高金属氢化物储放氢的储氢密度 并降低其比重，以及如何提高储放氢材料的吸、放氢循环寿命，仍有大量问题有待解决.

 

本文提出了一种全新概念的高效、安全、廉价的环保型铝水储氢电池体系.该体系依 据电化学原理，采用具有良好析氢电催化活性的材料为正极，铝合金材料为负极，以中性 NaCl溶液为电解液组成.铝水储氢体系的电极反应如下-

 

阴极反应：2H20+2e- —H2 T+20H- (1)

 

阳极反应：Al-3e_=Al3+ (2)

 

总反应：2A1+6H20=3H2 T+2A1(0H)3 | (3)

 

由上述反应可以看出，该体系通过消耗铝合金阳极和水，对外输出电能和氢气.这样的 储氢电池体系是一个兼具电能和氢能的储存及释放功能的体系.该体系的最大优点在于它

 

通过储存铝合金和水，对外可同时输出电能和氢气，安全可靠、携带方便，且不会对环境造 成任何形式的污染.

 

储氢电池体系获得高的电能和氢能输出的关键技术之一，是采用在中性溶液中具有高 的析氢电催化活性的材料作正极.为此，作者对活性炭负载镍催化剂的制备工艺、结构及 析氢电催化活性等进行了研究，并将其与铝合金阳极、中性NaCl水溶液一起构成Ni/AC膜 电极-合金储氢电池体系，研究了其放电及产氢.

 

2实验

 

2.1 Ni/AC催化剂的制备

 

取一定量的NiCl2'6H20溶在乙醇中，加入适量椰壳活性炭（AC),同时电磁搅拌，在60°C 水浴中蒸干，之后放入110°C干燥箱中干燥，制得NiCl2/AC粉末.取一定量的乙醇，NaOH 溶液和水合肼组成混合溶液，放在6090°C水浴中加热，将NiCl2/AC粉末加入溶液中反应 到无气体逸出，取出材料过滤，用一次水洗至中性，干燥得Ni/AC催化剂.文中有关Ni/AC 催化剂的镍负载量均指NiCl2被还原成Ni单质后，在Ni/AC催化剂中所占的质量百分比.

 

2.2 Ni/AC催化剂的形貌及结构分析

 

采用TS130SB型扫描电子显微镜（SEM)对催化剂的表面形貌进行观察.

 

采用X’Pert型X射线衍射仪（XRD)研究催化剂的相结构.XRD测试条件为：Cu Ka 辐射，A=0.154nm，管压40kV，管流150mA，扫描速度3°/min.

 

2.3 Ni/AC膜电极的制备

 

将一定量的催化剂、乙炔黑、聚四氟乙烯乳液（60%)和乙醇加入烧杯中，超声分散30min， 使之混合均匀之后，放入干燥箱中烘干至一定程度，在滚压机上压制成催化剂膜，之后在液 压机上将催化剂膜压在40目镍网上，制成Ni/AC膜电极.文中有关Ni/AC膜电极的镍负 载量均指NiCl2被还原成Ni单质后，在Ni/AC催化剂中所占的质量百分比.

 

2.4阴极极化曲线测试

 

本实验通过测试Ni/AC膜电极的稳态阴 极极化曲线来评价催化剂的电催化活性.阴极 极化曲线测试在CHI660B电化学工作站上进 行.采用三电极两回路的电化学测试体系，工 作电极为Ni/AC膜电极（面积为1cm2)，辅助电 极为大面积铂网，参比电极为饱和甘汞电极. 测试温度为25°C，lmol/L NaCl溶液，电位扫 描速度为0.5mV_s-本文所给电位均为相对 于饱和甘汞电极的电位.

 

2.5 Ni/AC膜电极-铝合金储氢电池的结构 及性能测试

 

以Ni/AC膜电极为正极、铝合金阳极为 负极、lmol/L NaCl水溶液为电解液组装成模 拟储氢电池（图1)，正、负极面积均为4cm2.

 

将Ni/AC膜电极-铝合金储氢电池在25°C下

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图1储氢电池结构示意图 Fig. 1 Schematic of hydrogen storage cell with Ni/AC membrane as cathode and aluminum alloy as anode

 

1. Ni/AC membrane electrode; 2. Aluminum alloy electrode; 3. Exit of Hydrogen gas; 4. Electrolyte

 

采用力兴BT-138-32D电池性能测试仪，

 

进行恒流放电，测试其放电性能，同时用排水集气法收集氢气.

由于处于电解液中的铝合金阳极在进行电化学溶解反应的同时还不可避免地存在一定 程度的自溶解反应，也将按如下反应式产生氢气（此产氢量称为自溶解产氢量l2):

 

2A1+6H20=3H2 T+2A1(0H)3 I (5)

 

因此，实验中收集到的产氢量是上述电化学产氢量In和A1合金自溶解产氢量U之和. 据此，可按下式计算出铝合金的自溶解率

 

i={Lz-U)!Lz (6)

 

将镍负载量为50%的Ni/AC膜电极与铝合金组成模拟储氢电池，测得其在不同电流密 度下的产氢量和根据公式（4)、（6)计算出的电化学产氢量、A1合金自溶解产氢量以及铝合 金自溶解率一同示于图7.可以看出，随着电池放电电流密度的提高，实验收集到的产氢量 和电化学产氢量A都随之增加，同时，由铝合金自溶解产生的产氢量也随之增加. 不过增加的趋势要小于A1合金自溶解率C在低电流密度下增加较快，在高电流密 度下其增加速度很小；说明储氢电池更适合在高电流密度下工作.

4结论

1.本文提出的铝水储氢电池体系是可行的，同时还具有高效、安全、廉价和环保的特

 

点-

 

2.化学还原法制备了以活性炭（AC)为载体的Ni/AC电催化剂，镍颗粒以纳米尺寸分 布在活性炭表面.