金属杂质离子沉积对电解水制氢的具体影响

　　1 金属杂质离子沉积对电解水制氢的具体影响

　　1.1 试剂与仪器的选择

　　为了测量金属杂质离子对电解水的最低有害浓度，本文实验中需要用到的主要仪器有 HH-S 型的数显恒温水浴锅，在电化学工作站中进行实验。实验药品则包括了硫酸铁、硫酸铜、硫酸亚铁、氧化锌、硫酸锌、氢氧化钾等等。

　　1.2 实验方法

　　首先要配置一系列已知浓度的溶液，有Zn2+、Cu2+、Fe3+溶液，然后在 40ml 浓度为 30% 的 KOH 溶液 （ 碱性电解水溶液 ） 中滴入 1ml 的金属离子溶液，立刻进行恒电流的阴极电沉积实验操作。恒电流阴极电沉积操作的方法是用 1cm²的纯镍片作为阴极、阳极选择铂片制作，然后向阴极通电，电流密度要达到 250mA/cm²左右，进行 30min 的电沉积，保持电解液温度在 85℃以上。

　　此时观察镍片表面的变化，看其是否会产生金属沉积物。如果镍片的表面已经布满金属沉积物，就记录为完全覆盖金属物100,如果只有一半，则记录为覆盖率为 50,如果没有任何沉积物就记录为 0.在最后一种情况，没有任何金属沉积层覆盖镍片表面时，说明了碱性电解溶液中所存在的金属杂质离子无法释出，也就不能沉积，这也就表明此时的金属杂质离子浓度已经达到最高，只有超出此浓度时才能再次出现金属杂质沉积物。

　　实际上，沉积金属杂质离子对电解水制氢的影响可以理解为阴极沉积金属杂质离子对阴极氢析活性的影响。

　　1.3 阴极沉积 Zn 的影响

　　在碱性电解水溶液中的镍片表面发现，如果镍片上沉积了Zn,马上断开实验电源，就会发现镍片依然在继续析氢，而 Zn也依然在溶解。这一现象表明了沉积于镍片上的 Zn 有较高的反应活性。它们一直在产生反应：

　　以上两个反应在阴极电沉积时都会进行，溶液中沉积速度如果大于溶解速度，那镍片表面积就会沉积 Zn.此时的 Zn2+沉积物在阴极表面不但要消耗大量的电量，还会附着于镍片表面，提高 Zn 沉积物的析氢过电位，这也进一步降低了镍片的析氢速度。此时如果断电，那么Zn沉积物会继续溶解直到完全溶于溶液。

　　所以，Zn2+浓度不随电解的控制而改变，但是 Zn 沉积物的这种溶解与沉积的循环进行，却增大了 Zn2+在电解水中的能耗。

　　1.4 阴极沉积 Fe 的影响

　　不同阴极的电流密度沉积 Fe 对阴极氢析活性的影响是不同的，如图 1.

　　如图 1 所示，当镍片上沉积了 Fe 后在碱性电解水溶液中的阴极极化曲线呈上升趋势。当 Fe3+浓度在 13m/L 以上时，电流的密度在 50、100 甚至 200mA/cm²范围。在温度为 85℃的环境下电沉积 30min,阴极电流密度沉积 Fe 的阴极极化曲线 η100就会分别呈现 620、593、530、523mV 几个数据。所以这表明了沉积电流密度越大，电沉积 Fe 所表现出的析氢过电位越小。

　　这是因为沉积电流密度有所增大，所以 Fe 的沉积物因为厚度的增加而变得疏松，但是其体现的面积却增大了，而此时的电解水析氢催化活性也是最好的。

　　1.5 阴极沉积 Cu 的影响

　　当镍片上存在 Cu 沉积层时，在碱性电解水溶液中它的阴极极化曲线如图 2.

　　如图 2 所示，Cu 沉积于碱性电解水溶液中它的 Cu2+浓度为15mg/L 左右，电流密度在 20、50、100mA/cm².同样在温度环境为 85℃下电沉积 30min,沉积 Cu 的阴极电流密度所对应的阴极极化曲线 η100 的表现分别在 750、682、598、541V.与 Fe相同，沉积电流密度的增大导致了电沉积物 Cu 的析氢过电位有所减小。这也表明了沉积电流密度的增大导致了沉积 Cu 层的厚度疏松，从而提高了它的析氢催化活性。

　　2 结语

　　经过一系列的实验分析表明，碱性电解水溶液中的 Zn2+、Fe3+、Cu2+会极大的降低电解水制氢的生产效率，同时增加大量能耗。尤其是 Zn2+在电解水过程中还会不断氧化还原，这一化学反应从整体上降低了电解水的阴极析氢能力，并进一步的扩大了能耗，不利于碱性电解水制氢的效率。