稀土對(duì)NiCoS合金相貌及析氫催化性能的影響

王棟　趙漢雨　徐波　田輝

【摘 要】本文采用水熱合成法制備出柱狀NiCoS合金，用SEM觀察試樣相貌，用XRD探測(cè)試樣物相，用自制析氫裝置研究不同稀土添加量對(duì)催化析氫性能的影響。結(jié)果顯示當(dāng)稀土添加量為1g時(shí)，合金的形貌為柱狀，其催化析氫速率是不添加稀土?xí)r的4.2倍。

【關(guān)鍵詞】NiCoS合金;稀土;催化析氫

中圖分類號(hào)： O646文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）33-0070-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.033

0 引言

目前，煤、石油、天然氣等自然資源的消耗日益增加，這造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染并，對(duì)人類的生存產(chǎn)生了威脅。因此開(kāi)發(fā)資源豐富并且環(huán)保的新型能源成為當(dāng)務(wù)之急，由于氫能具有燃燒值高、容易制取、燃燒后對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，故如何廉價(jià)制得清潔度高的氫氣已成為諸多研究者聚焦的問(wèn)題。

制氫的方法很多，其中水解制氫是一種便捷、廉價(jià)、可控性強(qiáng)的方法，故被廣泛采用。在水解制氫中，需要加入一定量的催化劑，催化劑的性能決定著析氫效率和純度。因此研發(fā)高效、穩(wěn)定的析氫催化劑成為當(dāng)務(wù)之急。本文采用水熱合成法，在泡沫鎳基體上沉積出納米柱狀NiCoS合金作為析氫催化劑，并研究稀土添加量對(duì)納米柱狀NiCoS合金相貌和析氫性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

實(shí)驗(yàn)試劑有無(wú)水乙醇;乙酸鈷;硫代乙酰胺;氫氧化鉀;去離子水和P123。

實(shí)驗(yàn)儀器有數(shù)顯定時(shí)加熱超聲波清洗機(jī)，電熱鼓風(fēng)干燥箱，飛科電吹風(fēng)，數(shù)顯恒溫磁力加熱攪拌器，電子天平電化學(xué)工作站等。

1.2 樣品的制備

納米柱狀NiCoS合金制備過(guò)程：1）材料清洗：將10mm*10mm的泡沫鎳放入含50ml無(wú)水乙醇的小燒杯中，再將小燒杯放入超聲波清洗機(jī)，加熱溫度到50度清洗1h。2）材料稱量：用電子天平分別稱取乙酸鈷和硫代乙酰胺和1g的P123模板劑。3）溶液制備：將乙酸鈷和硫代乙酰胺按比例放入含酒精和去離子水約50ml的小燒杯中，酒精和水比例為7：3，將小燒杯放在數(shù)顯恒溫磁力加熱攪拌器上20度攪拌1h。4）水熱反應(yīng)：將制備好的溶液倒入特氟龍內(nèi)襯不銹鋼高壓釜（50ml）中，將清洗過(guò)的泡沫鎳浸入高壓釜中作為基體，將高壓釜密封后放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在140度高溫下加熱10h，自然冷卻至室溫。5）拿出泡沫鎳放入去離子水中靜置4h，用去離子水重復(fù)清理，以去除泡沫鎳表層附著的不緊密的沉淀物，用吹風(fēng)機(jī)吹干。為了研究稀土元素的作用，每組實(shí)驗(yàn)中添加的稀土量依次為0，0.5g和1克。分別記為0-Ce、 0.5-Ce及1-Ce。

1.3 試樣表征

用掃描電子顯微鏡觀察試樣相貌，用EDS測(cè)量試樣成分，用XRD探測(cè)試樣物相組成情況，用自制析氫裝置測(cè)量析氫速率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 形貌

圖1是不同稀土添加劑下納米柱狀NiCoS合金的形貌。由圖可知，在沒(méi)有添加稀土的情況下（圖1a）， 納米柱狀NiCoS合金呈團(tuán)聚的球狀，分布不很均勻，微粒直徑在30-40μm。當(dāng)稀土添加量為0.5g時(shí)（圖1b），納米柱狀NiCoS合金逐漸向柱狀轉(zhuǎn)變：球狀形貌消失，部分區(qū)域有凸起，有形成柱狀的趨勢(shì)。有些區(qū)域的柱狀已經(jīng)形成，但由于剛剛長(zhǎng)出，故高度有限，大約只有3-4μm。當(dāng)稀土添加量為1g時(shí)（圖1c）納米柱狀NiCoS合金呈規(guī)則的柱狀，且柱狀直徑和高度幾乎一致。直徑大約為100nm，高度大約為20μm。綜上所述，添加不同含量稀土，對(duì)NiCoS合金的形貌產(chǎn)生重大影響。這可能是由于稀土對(duì)晶粒的生長(zhǎng)有影響。當(dāng)不添加稀土?xí)r，NiCoS合金的生長(zhǎng)在三維方向上等軸生長(zhǎng)，即在各個(gè)方向上生長(zhǎng)速率是相等的，故最終生成球狀晶體。當(dāng)稀土添加量足夠時(shí)，稀土將抑止晶粒某些方向的生長(zhǎng)，這樣，晶粒將在某一方向上優(yōu)先生長(zhǎng)，而在某些方向的生長(zhǎng)被抑制。最終導(dǎo)致柱狀晶粒的生成。

2.2 析氫性能分析

圖2是不同稀土添加量下所得柱狀合金的析氫速率對(duì)比圖。由圖可知，當(dāng)無(wú)稀土添加時(shí)，合金的析氫效率很低，大約為1.3ml/s;當(dāng)稀土添加量為0.5g時(shí)合金的析氫效率有所提高，大約為2.8ml/s;當(dāng)稀土添加量為1g時(shí)合金的析氫效率達(dá)到最高，大約為5.5ml/s，是不添加稀土的4.2倍。由此可知：在合成NiCoS合金時(shí)，添加適量的稀土，可提高合金的催化析氫性能。這是因?yàn)樘砑酉⊥梁?，可使合金催化劑的形貌由球狀變?yōu)橐?guī)則的柱狀，柱狀形貌的合金催化劑由于具有高的比表面積，所以和溶液的接觸面積大，溶液產(chǎn)生電子和質(zhì)子的交換，故添加稀土可提高合金的析氫催化性能。

3 結(jié)論

本研究采用水熱合成法制備出柱狀NiCoS合金，研究了不同稀土添加量對(duì)NiCoS合金相貌及催化析氫性能的影響。結(jié)果顯示當(dāng)稀土添加量為1g時(shí)，合金的形貌為柱狀，其催化析氫速率是不添加稀土?xí)r的4.2倍。

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