第二届全国大学生等离子体科技创新竞赛优秀作品成果展示:特等奖作品4

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中国电工技术学会等离子体及应用专业委员会

入选中国科协2022年度全国学会分支机构示范发展专项

作品展览



第二届全国大学生等离子体科技创新竞赛

优秀作品成果展示：特等奖作品4



作品名称

基于等离子体和电沉积技术的制氢镍电极新工艺研究

奖项

全国特等奖

参赛单位

清华大学

参赛学生

刘志成，宋昊天，王中阳

指导教师

罗海云，李雪

       本工艺旨在使用电化学沉积和等离子体处理相结合的方法，制备一种电解效率高、稳定性好的电解制氢镍电极。

       在“双碳”战略的背景下，氢气以其无碳排放、可再生、清洁、高效等特性被认为是未来最理想的能源载体之一。在各种制氢方式中，电解法可以利用可持续能源提供的电能，从源头消除碳排放。但由于电解过程中存在电极极化等现象，实际电压高于理论电压（二者之差为过电位），导致电解法电压效率较低，进一步发展受到限制。为了改进这一方法，可以从电解电极的角度考虑，探索一种电解效率高、稳定性好、成本低的阴极金属镍电极的制备工艺。

       目前镍电极主要有电弧热喷涂、电化学沉积、物理气相沉积等制备工艺。电弧热喷涂法是市面上的主流技术，技术成熟，但制备过程粉尘污染严重，制备效率难以提高；电化学沉积法制备的电极表面为多孔结构，比表面积大，在相同电流密度下的过电位较小，电压效率高，但沉积的表面层机械牢固度较低，稳定性差；物理气相沉积法仍然处于实验室研究阶段。经过考察，我们尝试改进电沉积法。

       查阅资料得到，可以使用等离子体射流扫描处理金属工件表面，这种射流束的能量密度很高，能够快速加热工件表面使其升温到熔点或相变温度以上，移走后工件通过热传导快速冷却，使表层组织细化强化，从而在不破坏基底结构的条件下提高表层硬度与耐磨性。基于此，我们提出一种新的镍电极制备工艺，先使用电沉积法制备高比表面积的镍电极，再用等离子体固化沉积层，结合电解效率高和稳定性强的特点。

       实验中，我们首先按照电沉积的处理条件，在基底镍网上沉积一层多孔的镍。之后使用脉冲电源供电，稀有气体氦、氩放电产生等离子体，固化镍网表面的沉积层。最后对市面上买到的电弧热喷涂法制备的镍网电极（市样）、基底镍网、电沉积后的镍网、电沉积+等离子体处理后的镍网分别进行电镜拍摄、电化学数据测量，根据检测结果不断探索最佳处理条件。

       电镜照片显示，等离子体处理后电极的表面层有明显的熔融后凝固的痕迹，并且仍然为电沉积的多孔结构。根据电化学的LSV测试结果，电沉积+等离子体处理后的电极析氢过电位低于市样，和仅电沉积处理的差别不大；根据稳定性测试结果，等离子体处理后的电极在24h内性能稳定，未处理的电极在1-2小时后性能明显下降。这些结果表明，等离子体处理+电沉积的工艺保持了电沉积法比表面积大、电解效率高的优点，并且电极稳定性大大提高。

      通过估算，若取析氧电极为铁镍合金，取析氢电极为本方法制备的镍电极，在10mA/cm?的电流密度下，电压效率为68.3%，高于市样的60.6%。综上，本工艺装置简易、过程清洁、制备速率快，制备的电极电解效率高、稳定性更强，能减少材料损耗，具有竞争力。该工艺还可以用于改进其他金属或合金电极，进一步提高电解效率；可以探索大面积产生等离子体处理电极的方法，推动该工艺产业化。





END

供稿 | 第二届全国大学生等离子体科技创新竞赛组委会

审核 | 朱益飞 韩若愚

编辑 | 熊庆 孙滢



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