稀土對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探測試樣物相，用自制析氫裝置研究不同稀土添加量對催化析氫性能的影響。結果顯示當稀土添加量為1g時，合金的形貌為柱狀，其催化析氫速率是不添加稀土時的4.2倍。

【關鍵詞】NiCoS合金;稀土;催化析氫

中圖分類號： O646文獻標識碼： A 文章編號： 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，這造成了嚴重的環境污染并，對人類的生存產生了威脅。因此開發資源豐富并且環保的新型能源成為當務之急，由于氫能具有燃燒值高、容易制取、燃燒后對環境無污染等優點，故如何廉價制得清潔度高的氫氣已成為諸多研究者聚焦的問題。

制氫的方法很多，其中水解制氫是一種便捷、廉價、可控性強的方法，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。因此研發高效、穩定的析氫催化劑成為當務之急。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納米柱狀NiCoS合金相貌和析氫性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑及儀器

實驗試劑有無水乙醇;乙酸鈷;硫代乙酰胺;氫氧化鉀;去離子水和P123。

實驗儀器有數顯定時加熱超聲波清洗機，電熱鼓風干燥箱，飛科電吹風，數顯恒溫磁力加熱攪拌器，電子天平電化學工作站等。

1.2 樣品的制備

納米柱狀NiCoS合金制備過程：1）材料清洗：將10mm*10mm的泡沫鎳放入含50ml無水乙醇的小燒杯中，再將小燒杯放入超聲波清洗機，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，將小燒杯放在數顯恒溫磁力加熱攪拌器上20度攪拌1h。4）水熱反應：將制備好的溶液倒入特氟龍內襯不銹鋼高壓釜（50ml）中，將清洗過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，用去離子水重復清理，以去除泡沫鎳表層附著的不緊密的沉淀物，用吹風機吹干。為了研究稀土元素的作用，每組實驗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測量試樣成分，用XRD探測試樣物相組成情況，用自制析氫裝置測量析氫速率。

2 實驗結果與討論

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，在沒有添加稀土的情況下（圖1a）， 納米柱狀NiCoS合金呈團聚的球狀，分布不很均勻，微粒直徑在30-40μm。當稀土添加量為0.5g時（圖1b），納米柱狀NiCoS合金逐漸向柱狀轉變：球狀形貌消失，部分區域有凸起，有形成柱狀的趨勢。有些區域的柱狀已經形成，但由于剛剛長出，故高度有限，大約只有3-4μm。當稀土添加量為1g時（圖1c）納米柱狀NiCoS合金呈規則的柱狀，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NiCoS合金的形貌產生重大影響。這可能是由于稀土對晶粒的生長有影響。當不添加稀土時，NiCoS合金的生長在三維方向上等軸生長，即在各個方向上生長速率是相等的，故最終生成球狀晶體。當稀土添加量足夠時，稀土將抑止晶粒某些方向的生長，這樣，晶粒將在某一方向上優先生長，而在某些方向的生長被抑制。最終導致柱狀晶粒的生成。

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比圖。由圖可知，當無稀土添加時，合金的析氫效率很低，大約為1.3ml/s;當稀土添加量為0.5g時合金的析氫效率有所提高，大約為2.8ml/s;當稀土添加量為1g時合金的析氫效率達到最高，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，添加適量的稀土，可提高合金的催化析氫性能。這是因為添加稀土后，可使合金催化劑的形貌由球狀變為規則的柱狀，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，溶液產生電子和質子的交換，故添加稀土可提高合金的析氫催化性能。

3 結論

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NiCoS合金相貌及催化析氫性能的影響。結果顯示當稀土添加量為1g時，合金的形貌為柱狀，其催化析氫速率是不添加稀土時的4.2倍。

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