Електрокаталітичні покриття кобальт-ванадій для реакції виділення водню

Abstract

Для сучасної водневої енергетики актуальним є дослідження існуючих та отримання нових енергозберігаючих матеріалів, використання яких дозволить знизити собівартість одержуваного водню. Такі властивості можна прогнозувати для матеріалів, що містять у своєму складі ванадій, молібден і вольфрам та мають каталітичну активність у реакції відновлення іонів водню на катоді. Дані метали з водних розчинів можуть співосаджуватись з металами-каталізаторами підгрупи заліза через утворення кластерних інтерметалевих сполук зі зв’язком Ме-V, адсорбованих на поверхні катода. В роботі досліджено індукуване співосадження кобальту з ванадієм з комплексного цитратного електроліту. В результаті проведених досліджень встановлено, що якісне покриття сплавом кобальт-ванадій, світло-сірого кольору, рівномірне, мікрокристалічне можна осадити з цитратного електроліту з вмістом 20 г/дм3 ванадію (в перерахунку на метал) у вигляді цитратного комплексу. Процес проводили при густині струму 5–10 А/дм2 , температурі 30–40°С, pH = 2,8–3,2. За результати рентгено-флуоресцентного аналізу, вміст ванадію в покритті становить 0,37–0,53 %, а максимальний вміст в покритті відзначається при густині струму 8–9 А/дм2 . Дослідження каталітичної активності отриманого покриття сплавом кобальт-ванадій в реакції відновлення іонів водню на катоді проводили в розчині 2,5М NaOH + 0,02M NaCl. При збільшенні вмісту ванадію в покритті від 0,37 до 0,53 % перенапруга виділення водню знижується на 0,5 В. Встановлено, що перенапруга реакції виділення іонів водню на катодах зі Ст.20 з покриттям Со-V на 0,08–0,1 В нижче, а величина струму обміну вище, ніж на електродах зі сталі Ст.20, що використовуються в промисловому воднолужному електролізі. Це свідчить про електрокаталітичну активність досліджуваних матеріалів в реакції відновлювання іонів водню. Електроди з отриманим покриттям сплавом кобаль-ванадій можливо рекомендувати як катодний матеріал для електрохімічного отримання водню. Зниження перенапруги виділення водню дозволяє зменшити енерговитрати на проведення даного процесу на 15-20 %.

The study of existing energy-saving materials and obtaining the new ones for reducing the cost of the hydrogen production, is relevant for modern hydrogen energy industry. Such properties can be predicted for materials containing vanadium, molybdenum, tungsten and exhibiting catalytic activity for the hydrogen evolution reaction Aforementioned metals can be co-deposited from aqueous solutions with iron subgroup metal-catalysts through the formation of cluster intermetallic compounds with Me-V bond adsorbed on the cathode surface. The induced co-deposition of cobalt with vanadium from the complex citrate electrolyte was investigated in the current work. As a result of the research, it was found that the uniform microcrystalline light-gray high-quality cobalt-vanadium alloy coating is possible to precipitate from a citrate electrolyte with content of 20 g/dm3 vanadium (in terms of metal) as a citrate complex The process was carried out at a current density of 5–10 A/dm2 , at a temperature of 30–40°С, pH = 2,8–3,2. The content of vanadium in the coating is 0,37–0,53 % by weight. The maximum vanadium content in the coating is observed at current densities 8–9 А/dm2 . The catalytic activity study of the coating that was obtained using cobalt-vanadium alloy in the reaction of hydrogen reduction at the cathode was performed in solution of 2,5М NaOH + 0,02 M NaCl. By increasing the vanadium content in the coating from 0,37 to 0,53% the hydrogen evolution overvoltage is reduced by 0,5 V. It was found that the overvoltage of the hydrogen ion evolution reaction on cathodes from steel 20 with cobalt-vanadium coating is 0.08–0,1 V lower, and the exchange current is higher than on electrodes made of steel 20, which are used in industrial water-alkali electrolysis. This indicates the electrocatalytic activity of the investigated materials for the hydrogen evolution reaction. Electrodes with coating, obtained by cobalt-vanadium alloy can be recommended as a cathode material for the hydrogen electrochemical production. Hydrogen evolution overvoltage reduction also decrease the energy consumption for this process by 15–20 %.