1 金屬雜質離子沉積對電解水制氫的具體影響

1.1 試劑與儀器的選擇

為了測量金屬雜質離子對電解水的最低有害濃度，本文實驗中需要用到的主要儀器有 HH-S 型的數顯恒溫水浴鍋，在電化學工作站中進行實驗。實驗藥品則包括了硫酸鐵、硫酸銅、硫酸亞鐵、氧化鋅、硫酸鋅、氫氧化鉀等等。

1.2 實驗方法

首先要配置一系列已知濃度的溶液，有Zn2+、Cu2+、Fe3+溶液，然后在 40ml 濃度為 30% 的 KOH 溶液 （ 堿性電解水溶液 ） 中滴入 1ml 的金屬離子溶液，立刻進行恒電流的陰極電沉積實驗操作。恒電流陰極電沉積操作的方法是用 1cm2的純鎳片作為陰極、陽極選擇鉑片制作，然后向陰極通電，電流密度要達到 250mA/cm2左右，進行 30min 的電沉積，保持電解液溫度在 85℃以上。

此時觀察鎳片表面的變化，看其是否會產生金屬沉積物。如果鎳片的表面已經布滿金屬沉積物，就記錄為完全覆蓋金屬物100,如果只有一半，則記錄為覆蓋率為 50,如果沒有任何沉積物就記錄為 0.在最后一種情況，沒有任何金屬沉積層覆蓋鎳片表面時，說明了堿性電解溶液中所存在的金屬雜質離子無法釋出，也就不能沉積，這也就表明此時的金屬雜質離子濃度已經達到最高，只有超出此濃度時才能再次出現金屬雜質沉積物。

實際上，沉積金屬雜質離子對電解水制氫的影響可以理解為陰極沉積金屬雜質離子對陰極氫析活性的影響。

1.3 陰極沉積 Zn 的影響

在堿性電解水溶液中的鎳片表面發現，如果鎳片上沉積了Zn,馬上斷開實驗電源，就會發現鎳片依然在繼續析氫，而 Zn也依然在溶解。這一現象表明了沉積于鎳片上的 Zn 有較高的反應活性。它們一直在產生反應：

以上兩個反應在陰極電沉積時都會進行，溶液中沉積速度如果大于溶解速度，那鎳片表面積就會沉積 Zn.此時的 Zn2+沉積物在陰極表面不但要消耗大量的電量，還會附著于鎳片表面，提高 Zn 沉積物的析氫過電位，這也進一步降低了鎳片的析氫速度。此時如果斷電，那么Zn沉積物會繼續溶解直到完全溶于溶液。

所以，Zn2+濃度不隨電解的控制而改變，但是 Zn 沉積物的這種溶解與沉積的循環進行，卻增大了 Zn2+在電解水中的能耗。

1.4 陰極沉積 Fe 的影響

不同陰極的電流密度沉積 Fe 對陰極氫析活性的影響是不同的，如圖 1.

如圖 1 所示，當鎳片上沉積了 Fe 后在堿性電解水溶液中的陰極極化曲線呈上升趨勢。當 Fe3+濃度在 13m/L 以上時，電流的密度在 50、100 甚至 200mA/cm2范圍。在溫度為 85℃的環境下電沉積 30min,陰極電流密度沉積 Fe 的陰極極化曲線 η100就會分別呈現 620、593、530、523mV 幾個數據。所以這表明了沉積電流密度越大，電沉積 Fe 所表現出的析氫過電位越小。

這是因為沉積電流密度有所增大，所以 Fe 的沉積物因為厚度的增加而變得疏松，但是其體現的面積卻增大了，而此時的電解水析氫催化活性也是最好的。

1.5 陰極沉積 Cu 的影響

當鎳片上存在 Cu 沉積層時，在堿性電解水溶液中它的陰極極化曲線如圖 2.

如圖 2 所示，Cu 沉積于堿性電解水溶液中它的 Cu2+濃度為15mg/L 左右，電流密度在 20、50、100mA/cm2.同樣在溫度環境為 85℃下電沉積 30min,沉積 Cu 的陰極電流密度所對應的陰極極化曲線 η100 的表現分別在 750、682、598、541V.與 Fe相同，沉積電流密度的增大導致了電沉積物 Cu 的析氫過電位有所減小。這也表明了沉積電流密度的增大導致了沉積 Cu 層的厚度疏松，從而提高了它的析氫催化活性。

2 結語

經過一系列的實驗分析表明，堿性電解水溶液中的 Zn2+、Fe3+、Cu2+會極大的降低電解水制氫的生產效率，同時增加大量能耗。尤其是 Zn2+在電解水過程中還會不斷氧化還原，這一化學反應從整體上降低了電解水的陰極析氫能力，并進一步的擴大了能耗，不利于堿性電解水制氫的效率。