稀土对NiCoS合金相貌及析氢催化性能的影响

王栋　赵汉雨　徐波　田辉

【摘 要】本文采用水热合成法制备出柱状NiCoS合金，用SEM观察试样相貌，用XRD探测试样物相，用自制析氢装置研究不同稀土添加量对催化析氢性能的影响。结果显示当稀土添加量为1g时，合金的形貌为柱状，其催化析氢速率是不添加稀土时的4.2倍。

【关键词】NiCoS合金;稀土;催化析氢

中图分类号： O646文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）33-0070-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.033

0 引言

目前，煤、石油、天然气等自然资源的消耗日益增加，这造成了严重的环境污染并，对人类的生存产生了威胁。因此开发资源丰富并且环保的新型能源成为当务之急，由于氢能具有燃烧值高、容易制取、燃烧后对环境无污染等优点，故如何廉价制得清洁度高的氢气已成为诸多研究者聚焦的问题。

制氢的方法很多，其中水解制氢是一种便捷、廉价、可控性强的方法，故被广泛采用。在水解制氢中，需要加入一定量的催化剂，催化剂的性能决定着析氢效率和纯度。因此研发高效、稳定的析氢催化剂成为当务之急。本文采用水热合成法，在泡沫镍基体上沉积出纳米柱状NiCoS合金作为析氢催化剂，并研究稀土添加量对纳米柱状NiCoS合金相貌和析氢性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验试剂及仪器

实验试剂有无水乙醇;乙酸钴;硫代乙酰胺;氢氧化钾;去离子水和P123。

实验仪器有数显定时加热超声波清洗机，电热鼓风干燥箱，飞科电吹风，数显恒温磁力加热搅拌器，电子天平电化学工作站等。

1.2 样品的制备

纳米柱状NiCoS合金制备过程：1）材料清洗：将10mm*10mm的泡沫镍放入含50ml无水乙醇的小烧杯中，再将小烧杯放入超声波清洗机，加热温度到50度清洗1h。2）材料称量：用电子天平分别称取乙酸钴和硫代乙酰胺和1g的P123模板剂。3）溶液制备：将乙酸钴和硫代乙酰胺按比例放入含酒精和去离子水约50ml的小烧杯中，酒精和水比例为7：3，将小烧杯放在数显恒温磁力加热搅拌器上20度搅拌1h。4）水热反应：将制备好的溶液倒入特氟龙内衬不锈钢高压釜（50ml）中，将清洗过的泡沫镍浸入高压釜中作为基体，将高压釜密封后放入电热鼓风干燥箱中，在140度高温下加热10h，自然冷却至室温。5）拿出泡沫镍放入去离子水中静置4h，用去离子水重复清理，以去除泡沫镍表层附着的不紧密的沉淀物，用吹风机吹干。为了研究稀土元素的作用，每组实验中添加的稀土量依次为0，0.5g和1克。分别记为0-Ce、 0.5-Ce及1-Ce。

1.3 试样表征

用扫描电子显微镜观察试样相貌，用EDS测量试样成分，用XRD探测试样物相组成情况，用自制析氢装置测量析氢速率。

2 实验结果与讨论

2.1 形貌

图1是不同稀土添加剂下纳米柱状NiCoS合金的形貌。由图可知，在没有添加稀土的情况下（图1a）， 纳米柱状NiCoS合金呈团聚的球状，分布不很均匀，微粒直径在30-40μm。当稀土添加量为0.5g时（图1b），纳米柱状NiCoS合金逐渐向柱状转变：球状形貌消失，部分区域有凸起，有形成柱状的趋势。有些区域的柱状已经形成，但由于刚刚长出，故高度有限，大约只有3-4μm。当稀土添加量为1g时（图1c）纳米柱状NiCoS合金呈规则的柱状，且柱状直径和高度几乎一致。直径大约为100nm，高度大约为20μm。综上所述，添加不同含量稀土，对NiCoS合金的形貌产生重大影响。这可能是由于稀土对晶粒的生长有影响。当不添加稀土时，NiCoS合金的生长在三维方向上等轴生长，即在各个方向上生长速率是相等的，故最终生成球状晶体。当稀土添加量足够时，稀土将抑止晶粒某些方向的生长，这样，晶粒将在某一方向上优先生长，而在某些方向的生长被抑制。最终导致柱状晶粒的生成。

2.2 析氢性能分析

图2是不同稀土添加量下所得柱状合金的析氢速率对比图。由图可知，当无稀土添加时，合金的析氢效率很低，大约为1.3ml/s;当稀土添加量为0.5g时合金的析氢效率有所提高，大约为2.8ml/s;当稀土添加量为1g时合金的析氢效率达到最高，大约为5.5ml/s，是不添加稀土的4.2倍。由此可知：在合成NiCoS合金时，添加适量的稀土，可提高合金的催化析氫性能。这是因为添加稀土后，可使合金催化剂的形貌由球状变为规则的柱状，柱状形貌的合金催化剂由于具有高的比表面积，所以和溶液的接触面积大，溶液产生电子和质子的交换，故添加稀土可提高合金的析氢催化性能。

3 结论

本研究采用水热合成法制备出柱状NiCoS合金，研究了不同稀土添加量对NiCoS合金相貌及催化析氢性能的影响。结果显示当稀土添加量为1g时，合金的形貌为柱状，其催化析氢速率是不添加稀土时的4.2倍。

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