RU2518466C1 - Iron-based material for electrode for electrochemical production of hydrogen and method of its manufacturing - Google Patents

Iron-based material for electrode for electrochemical production of hydrogen and method of its manufacturing Download PDF

Info

Publication number
RU2518466C1
RU2518466C1 RU2013109076/04A RU2013109076A RU2518466C1 RU 2518466 C1 RU2518466 C1 RU 2518466C1 RU 2013109076/04 A RU2013109076/04 A RU 2013109076/04A RU 2013109076 A RU2013109076 A RU 2013109076A RU 2518466 C1 RU2518466 C1 RU 2518466C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
iron
hydrogen
laser
electrode
electrodes
Prior art date
Application number
RU2013109076/04A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Максимович Решетников
Евгений Викторович Харанжевский
Михаил Дмитриевич Кривилев
Эдуард Евгеньевич Садиоков
Фаат Залалутдинович Гильмутдинов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Удмуртский государственный университет" (УдГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Удмуртский государственный университет" (УдГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Удмуртский государственный университет" (УдГУ)
Priority to RU2013109076/04A priority Critical patent/RU2518466C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2518466C1 publication Critical patent/RU2518466C1/en

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: powdered composite Fe-C is applied to the electrode surface and synthesis is carried out for nanocrystal elements Fe-C with an average size within the range of 10-15 nm by treatment with laser pulses with wave length of 1-1.5 mcm at radiant density of 107-109 W/cm2, laser scanning rate of 8-15 cm/s, frequency of pulses of 33-60 kHz in vacuum or in argon, at that in the process melting and formation of ferric carbide Fe3C is not reached. The invention is also related to the iron-based cathode material for electrochemical production of hydrogen.
EFFECT: modification of iron surface that allows improvement of electrocatalytic activity for such material.
2 cl, 2 tbl

Description

Материал электрода на основе железа для электрохимического получения водорода и способ его изготовленияIron-based electrode material for the electrochemical production of hydrogen and method for its manufacture

Изобретение относится к материалам для изготовления электродов, используемых в качестве катодов для получения водорода электролизом водных растворов щелочей.The invention relates to materials for the manufacture of electrodes used as cathodes for the production of hydrogen by electrolysis of aqueous solutions of alkalis.

В промышленных электролизерах для получения водорода электролизом водных растворов щелочей используют в качестве катода железо [1]. Железо, как и другие металлы этой подгруппы, имеет среднее перенапряжение водорода, что обуславливает значительные энергозатраты при электролизе. Идеальным было бы использование в качестве электродов металлов платиновой группы, обладающих низким перенапряжением водорода. Однако эти металлы дороги и поэтому в технологии электролиза воды не применяются.In industrial electrolyzers, iron is used as a cathode to produce hydrogen by electrolysis of aqueous solutions of alkalis [1]. Iron, like other metals of this subgroup, has an average hydrogen overvoltage, which leads to significant energy consumption during electrolysis. It would be ideal to use platinum group metals with low hydrogen overvoltage as electrodes. However, these metals are expensive and therefore are not used in water electrolysis technology.

В качестве альтернативы металлическим материалам для электродов были исследованы карбиды ряда металлов [2]. Одним из наиболее перспективных оказался карбид вольфрама. Однако дефицитность данного материала и вольфрама вообще, трудность в изготовлении электродов с большой поверхностью не позволили использовать карбид вольфрама в промышленных электролизерах.As an alternative to metallic materials for electrodes, carbides of a number of metals were studied [2]. One of the most promising was tungsten carbide. However, the scarcity of this material and tungsten in general, the difficulty in manufacturing electrodes with a large surface, did not allow the use of tungsten carbide in industrial electrolyzers.

Более дешевым и доступным карбидом является карбид железа Fe3C (цементит). Согласно исследованиям [2, 3] на таком карбиде перенапряжение водорода ниже, чем на железе. Однако цементит можно получить только металлургическим путем при высокой температуре. Из-за высокой твердости и хрупкости из этого материала невозможно изготовить электроды с большой поверхностью, т.е. плоские электроды.Cheaper and affordable carbide is iron carbide Fe 3 C (cementite). According to studies [2, 3], the hydrogen overvoltage on such carbide is lower than on iron. However, cementite can only be obtained metallurgically at high temperature. Due to its high hardness and brittleness, it is impossible to make electrodes with a large surface from this material, i.e. flat electrodes.

В результате этого при электролизе водных растворов щелочей с целью получения водорода используются в основном электроды из железа (нелегированных сталей) [1], недостатки которых были отмечены выше. Таким образом, в качестве прототипа выбраны электроды из железа.As a result of this, the electrolysis of aqueous solutions of alkalis with the aim of producing hydrogen mainly uses electrodes made of iron (unalloyed steels) [1], the disadvantages of which were noted above. Thus, iron electrodes were selected as a prototype.

Была поставлена задача создания технологии модификации поверхности железа, которая позволила бы повысить электрокаталитическую активность такого материала, т.е. снизить перенапряжение реакции выделения водорода при электролизе водного раствора щелочи.The task was to create a technology for modifying the surface of iron, which would make it possible to increase the electrocatalytic activity of such a material, i.e. to reduce the overstrain of the hydrogen evolution reaction during the electrolysis of an aqueous alkali solution.

В результате исследований было установлено, что с помощью лазерных технологий можно получать электроды на основе железа (стали), обогащенные углеродом. Так, в способе изготовления покрытия на изделии методом послойного лазерного синтеза [4], выбранном за прототип, осуществляли лазерное спекание механоактивированного металлического порошка и порошковой смеси металл-металл импульсным лазером с частотой генерации импульсов от 20000 до 100000 Гц и временем действия импульса 100 наносекунд.As a result of research, it was found that using laser technology it is possible to obtain electrodes based on iron (steel) enriched with carbon. So, in the method of manufacturing a coating on an article by the method of layer-by-layer laser synthesis [4], selected as the prototype, laser sintering of a mechanically activated metal powder and a metal-metal powder mixture was performed using a pulsed laser with a pulse generation frequency from 20,000 to 100,000 Hz and a pulse duration of 100 nanoseconds.

Поставленная задача решалась тем, что на поверхность электрода наносили порошкообразную композицию Fe-C и синтезировали под воздействием лазерного облучения нанокристаллические элементы Fe-C, не доводя при этом до оплавления поверхности и стадии синтеза карбида железа. При этом синтез нанокристаллических элементов Fe-C со средним размером в пределах 10-15 нм осуществляли лазерными импульсами с длиной волны 1-1,5 мкм, плотностью излучения 107-109 Вт/см2, скоростью сканирования лазером 8-15 см/с, частотой импульсов 33-60 кГц в вакууме или в среде аргона, не доводя до появления карбида железа Fe3C. Полученный композитный материал электрода сохранял наноразмерность объемных и поверхностных элементов и обладал более высокой по сравнению с железом и даже никелем электрокаталитической активностью, что дает возможность изготовить из него катод для электролиза водных растворов щелочей с целью получения водорода.The problem was solved in that a Fe-C powder composition was deposited on the electrode surface and nanocrystalline Fe-C elements were synthesized under the action of laser irradiation, without leading to the melting of the surface and the stage of synthesis of iron carbide. In this case, the synthesis of Fe-C nanocrystalline elements with an average size in the range of 10-15 nm was carried out by laser pulses with a wavelength of 1-1.5 μm, a radiation density of 10 7 -10 9 W / cm 2 , and a laser scanning speed of 8-15 cm / s, a pulse frequency of 33-60 kHz in vacuum or in argon, without leading to the appearance of iron carbide Fe 3 C. The resulting composite electrode material retained the nanoscale volume and surface elements and had a higher electrocatalytic activity than iron and even nickel, which enables and prepare therefrom a cathode for electrolysis of aqueous solutions of alkalis in order to obtain hydrogen.

Отметим, что используемая технология позволила поличить плоские электроды, соответствующие размерам электродов для промышленных электролизеров.Note that the technology used allowed us to obtain flat electrodes corresponding to the sizes of electrodes for industrial electrolyzers.

Пример конкретного осуществления предлагаемого изобретенияAn example of a specific implementation of the invention

Приготовление образов. На подложку из стали 40 наносили композицию, составленную из смеси дисперсных материалов на основе карбонильного железа с добавлением 0,5 масс.% углерода в виде графита. Наносимая смесь порошкообразных веществ представляла собой пастообразную обмазку, в которой в качестве связующего вещества использовался четыреххлористый углерод. Обмазка толщиной 0,07 мм наносилась на поверхность подложки валиком.Cooking images. A composition composed of a mixture of dispersed materials based on carbonyl iron with the addition of 0.5 wt.% Carbon in the form of graphite was applied to a steel substrate 40. The applied mixture of powdered substances was a paste-like coating, in which carbon tetrachloride was used as a binder. A coating of 0.07 mm thickness was applied to the surface of the substrate with a roller.

Для обработки полученного слоя использовался оптоволоконный иттербиевый импульсный лазер с длиной волны излучения ~1 мкм при плотности излучения ~108 Вт/см2. Скорость сканирования луча лазера в зоне обработки составляла 10 см/с, частота следования импульсов - 33 кГц. Обработка проводилась в защитной среде аргона. После лазерной обработки толщина одного спеченного слоя составляла 0,05 мм. Далее процесс нанесения обмазки и лазерной обработки повторялся несколько раз (до 16) для получения заданной толщины спеченного слоя. В процессе лазерного спекания получали поверхностные покрытия с наноструктурными свойствами.To process the obtained layer, we used a fiber-optic ytterbium pulsed laser with a radiation wavelength of ~ 1 μm at a radiation density of ~ 10 8 W / cm 2 . The scanning speed of the laser beam in the processing zone was 10 cm / s, and the pulse repetition rate was 33 kHz. Processing was carried out in a protective environment of argon. After laser treatment, the thickness of one sintered layer was 0.05 mm. Further, the coating process and laser treatment was repeated several times (up to 16) to obtain a given thickness of the sintered layer. During laser sintering, surface coatings with nanostructured properties were obtained.

Выбор оптимальных режимов обработки производился с применением математического моделирования методом двухфазной зоны. Данный метод, широко используемый в литейных технологиях, был распространен на случай высокоинтенсивной тепловой обработки порошков лазером. Компьютерная модель [5], разработанная с применением указанного подхода, применялась для количественного анализа скоростей нагрева и охлаждения, глубины проплавления и градиентов температуры в зоне обработки. На основании этих данных оценивались зернистость кристаллической структуры и степень сегрегации химических компонентов в спеченном слое. Выбранные режимы обеспечивали образование на поверхности материалов нанокристаллических структур.The choice of optimal processing modes was carried out using mathematical modeling using the two-phase zone method. This method, widely used in foundry technologies, was extended to the case of high-intensity heat treatment of powders with a laser. A computer model [5], developed using this approach, was used for the quantitative analysis of heating and cooling rates, penetration depth and temperature gradients in the processing zone. Based on these data, the granularity of the crystal structure and the degree of segregation of chemical components in the sintered layer were evaluated. The selected modes ensured the formation of nanocrystalline structures on the surface of materials.

Образцы №1-3 после получения покрытий лазерным спеканием подвергались шлифованию на глубину 0,1 мм для снятия шероховатости поверхности. Образцы отличались глубиной оставшегося спеченного слоя: образец №1 - 0,2 мм; №2 - 0,4 мм; №3 - 0,6 мм.Samples No. 1-3 after obtaining coatings by laser sintering were subjected to grinding to a depth of 0.1 mm to remove surface roughness. The samples differed in the depth of the remaining sintered layer: sample No. 1 — 0.2 mm; No. 2 - 0.4 mm; No. 3 - 0.6 mm.

Рентгеноструктурный анализ образцов выполняли на дифрактометре ДРОН-6М в Co-Kα излучении методом постоянного времени, набирая интенсивность в каждой точке по углу 2θ по 5 с.X-ray diffraction analysis of the samples was performed on a DRON-6M diffractometer in Co-Kα radiation using the constant-time method, gaining intensity at each point over an angle of 2θ for 5 s.

Образцы для исследования методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) закреплялись на индиевой подложке. Предварительно образцы промывались в спирте-ректификате. В целях изучения распределения концентрация элементов по глубине проводилось травление ионами аргона с энергией 0,9 кВ и плотностью тока 12 мкА/см2. Скорость травления составляла ~1,0-1,2 нм/мин. Рентгеноэлектронные спектры (РЭ-спектры) всех образцов получены при MgKα-возбуждении (1253,6 эВ). Вакуум в камере спектрометра 10-6 Па. Разрешение (ширина на половине высоты) по линии Au4f7/2-1,2 эВ. Относительная ошибка определения концентрации элементов 5% от измеряемой величины (в области средних концентраций). Точность определения энергии связи определялась шагом сканирования 0,1 эВ.Samples for investigation by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were fixed on an indium substrate. Preliminarily, the samples were washed in rectified alcohol. In order to study the distribution of the concentration of elements over the depth, etching by argon ions with an energy of 0.9 kV and a current density of 12 μA / cm 2 was carried out. The etching rate was ~ 1.0-1.2 nm / min. X-ray electron spectra (RE spectra) of all samples were obtained upon MgKα excitation (1253.6 eV). The vacuum in the chamber of the spectrometer is 10 -6 Pa. Resolution (width at half height) along the line Au4f 7/2 -1.2 eV. The relative error in determining the concentration of elements is 5% of the measured value (in the range of average concentrations). The accuracy of determining the binding energy was determined by a scanning step of 0.1 eV.

Образцы для электрохимических измерений представляли собой цилиндры с площадью торца 0,6 см2. Нанесенный на торец цилиндра слой и был рабочей поверхностью электрода. Нерабочие поверхности были изолированы эпоксидной смолой.Samples for electrochemical measurements were cylinders with an end surface area of 0.6 cm 2 . The layer deposited on the end of the cylinder was the working surface of the electrode. Non-working surfaces were insulated with epoxy resin.

Поляризационные измерения исследуемых образцов в анодной области потенциалов проводились в потенциодинамическом режиме при скорости развертки потенциала 1 мВ/с. Использовали потенциостат IPC-Pro L, ячейку ЯСЭ-2. Температура 22±2°C, фоновый электролит - 0,1М водный раствор NaOH. Аэрация раствора - естественная.Polarization measurements of the samples under study in the anode region of potentials were carried out in the potentiodynamic mode at a potential sweep speed of 1 mV / s. Used potentiostat IPC-Pro L, cell YSE-2. Temperature 22 ± 2 ° C, background electrolyte - 0.1 M aqueous NaOH solution. Aeration of the solution is natural.

Перед электрохимическими испытаниями электроды зачищали мелкодисперсным оксидом алюминия, нанесенным на влажную ткань. После этого образцы промывали дистиллированной водой и обезжиривали спиртом. Далее образцы помещали в электрохимическую ячейку с раствором NaOH.Before electrochemical tests, the electrodes were cleaned with finely divided alumina deposited on a damp cloth. After that, the samples were washed with distilled water and degreased with alcohol. Next, the samples were placed in an electrochemical cell with a solution of NaOH.

Одновременно с этим включали потенциостат и задавали электродам потенциал φ=-1500 мВ (потенциалы измерены относительно насыщенного хлоридсеребряного электрода). При этом потенциале электроды выдерживали 15 минут, что способствовало удалению оксидных слоев, имеющихся на поверхности. Далее включали анодную поляризацию и доводили потенциал до величины 1100 мВ, то есть несколько выше потенциала обратимого водородного электрода в данной среде (величина этого потенциала принята равной -970 мВ). Далее вновь включали катодную поляризацию с той же скоростью и доводили потенциал до исходного значения, то есть φ=-1500 мВ. Отметим, что прямой и обратный ходы поляризационных кривых практически совпадают, что может свидетельствовать об обратимости протекающих процессов, связанных с катодным выделением водорода из щелочной среды по следующему уравнению:At the same time, the potentiostat was turned on and the potential was set to the electrodes φ = -1500 mV (potentials were measured relative to the saturated silver chloride electrode). At this potential, the electrodes were held for 15 minutes, which contributed to the removal of oxide layers present on the surface. Then, anodic polarization was turned on and the potential was brought to a value of 1100 mV, i.e., slightly higher than the potential of a reversible hydrogen electrode in a given medium (the value of this potential was taken equal to -970 mV). Then, the cathodic polarization was turned on again at the same speed and the potential was brought to its initial value, i.e., φ = -1500 mV. Note that the forward and backward polarization curves almost coincide, which may indicate the reversibility of the processes associated with the cathodic evolution of hydrogen from an alkaline medium according to the following equation:

H2O+e-1/2H2+OH- H 2 O + e - 1/2 H 2 + OH -

Плотность тока пересчитывали на площадь геометрической поверхности электрода. Для сравнения в этих же условиях снимали катодные поляризационные кривые электродов из стали 40, железа-армко и никеля (марки H0).The current density was converted to the area of the geometric surface of the electrode. For comparison, under the same conditions, the cathodic polarization curves of electrodes made of steel 40, iron-armco, and nickel (grade H0) were taken.

На дифрактограммах исследованных образцов можно выделить только линии двух фаз: α-Fe и γ-Fe. Карбидная фаза отсутствует, что свидетельствует об отсутствии в составе покрытия карбида Fe3C. В то же время согласно данным РФЭС фиксируется образование связей Fe-C с энергией, не отвечающей образованию карбидов, а соответствующих твердому раствору углерода в железе.On the diffraction patterns of the samples studied, only lines of two phases can be distinguished: α-Fe and γ-Fe. The carbide phase is absent, which indicates the absence of Fe 3 C carbide in the coating composition. At the same time, according to the XPS data, the formation of Fe – C bonds with energy not corresponding to the formation of carbides, but corresponding to a solid solution of carbon in iron, is detected.

Таким образом, поверхность исследованных образцов, полученная методом лазерного высокоскоростного спекания порошков Fe-C, представляет собой сложные системы поверхностных и адсорбционных соединений. Как отмечено выше, выполненное математическое моделирование развития тепловых полей при лазерной обработке порошкового слоя позволило оценить условия, при которых происходит спекание с возможностью образования наноразмерных структур. Именно наличие высокой степени нагрева и охлаждения (до 1011 К/с) при обработке импульсным лазерным излучением приводит к возникновению значительных (до 108 К/м) температурных градиентов и высокой скорости кристаллизации, которая оказывает основное влияние на формирующую структуру. Согласно расчетам максимальная скорость движения фронта кристаллизации приводят к подавлению микросегрегации компонентов и получению химически однородных структур. Из результатов рентгеноструктурного анализа (см. табл.1) видно, что средний размер кристаллитов, образовавшихся при лазерном спекании, находится в пределах 10-15 нм.Thus, the surface of the studied samples obtained by high-speed laser sintering of Fe-C powders is a complex system of surface and adsorption compounds. As noted above, the performed mathematical modeling of the development of thermal fields during laser processing of the powder layer made it possible to evaluate the conditions under which sintering occurs with the possibility of the formation of nanoscale structures. It is the presence of a high degree of heating and cooling (up to 10 11 K / s) during processing by pulsed laser radiation that leads to the appearance of significant (up to 10 8 K / m) temperature gradients and a high crystallization rate, which has a major effect on the forming structure. According to the calculations, the maximum velocity of the crystallization front motion leads to the suppression of microsegregation of components and the formation of chemically homogeneous structures. From the results of X-ray diffraction analysis (see Table 1), it can be seen that the average size of crystallites formed during laser sintering is in the range of 10-15 nm.

Таблица 1Table 1 Результаты рентгеноструктурного анализа образца №3: содержание фаз; параметры решетки а; средний размер <L> областей когерентного рассеяния; относительная деформация е кристаллической решеткиThe results of x-ray diffraction analysis of sample No. 3: phase content; lattice parameters a; average size <L> of coherent scattering regions; relative strain e of the crystal lattice ФазаPhase Содержание фазы, масс.%The content of the phase, wt.% а, нмa, nm <L>, нм<L>, nm ε, %ε,% α-Fe (A2, ОЦК)α-Fe (A2, bcc) 3737 0,28660.2866 1313 <0,1<0.1 γ-Fe (0,5 масс.% C) (A1, ГЦК)γ-Fe (0.5 wt.% C) (A1, fcc) 6363 0,36210.3621 15fifteen <0,05<0.05

Из анализа катодных потенциодинамических кривых исследованных образцов, а также из сравнения железо-армко, стали 40 (материал подложки), никеля (марки H0) следует, что из всех металлов подгруппы железа никель имеет самое низкое перенапряжение водорода. Начальные участки кривых (приблизительно до φ=-1200 мВ) имеют линейный характер, то есть подчиняются уравнению Тафеля. Наклон линейных участков dφ/dlgi в этом интервале потенциалов составляет для изученных материалов величину 110±10 мВ, что вполне согласуется с известными данными для Fe и Ni. При потенциалах отрицательнее -1200 мВ поляризационные кривые увеличивают наклон, что, возможно, связано с подщелачиванием раствора из-за его низкой буферной емкости.From an analysis of the cathodic potentiodynamic curves of the samples studied, as well as from a comparison of iron-Armco, steel 40 (substrate material), nickel (grade H0), it follows that nickel has the lowest hydrogen overvoltage from all metals in the iron subgroup. The initial sections of the curves (up to approximately φ = -1200 mV) are linear, that is, they obey the Tafel equation. The slope of the linear sections dφ / dlgi in this potential range is 110 ± 10 mV for the materials studied, which is in good agreement with the known data for Fe and Ni. At potentials less than -1200 mV, the polarization curves increase the slope, which is probably due to the alkalization of the solution due to its low buffer capacity.

Для характеристики катодной активности в реакции выделения водорода можно использовать величину плотности тока этой реакции, то есть скорость катодной реакции при заданном катодном потенциале, т.е. при данном перенапряжении водорода. В таблице 2 приведены величины плотности катодных токов на изученных образцах при перенапряжении 200 мВ. Можно видеть, что все лазерно-обработанные образцы более катодно-активны, чем Fe, а образец №3 активнее, чем Ni.To characterize the cathodic activity in the hydrogen evolution reaction, the current density of this reaction can be used, i.e., the cathodic reaction rate at a given cathodic potential, i.e. at a given overvoltage of hydrogen. Table 2 shows the values of the density of cathodic currents on the studied samples at an overvoltage of 200 mV. It can be seen that all laser-treated samples are more cathode-active than Fe, and sample No. 3 is more active than Ni.

Для характеристики электрокаталитической активности металлов можно измерить перенапряжение катодной реакции при заданной плотности тока. При этом чем ниже перенапряжение, тем активнее катод. Можно видеть, что и данный показатель свидетельствует в пользу более высокой активности лазерно-обработанных электродов по сравнению с Fe. Образец №3, в свою очередь, эффективнее даже, чем никелевый электрод.To characterize the electrocatalytic activity of metals, one can measure the overvoltage of the cathodic reaction at a given current density. Moreover, the lower the overvoltage, the more active the cathode. It can be seen that this indicator also favors a higher activity of laser-treated electrodes compared to Fe. Sample No. 3, in turn, is even more efficient than a nickel electrode.

Наличие на поверхности лазерно-обработанных электродов структур, обнаруженных методом РФЭС в совокупности с данными таблицы 1 подтверждает их наноразмерность.The presence on the surface of laser-treated electrodes of structures detected by the XPS method in conjunction with the data in Table 1 confirms their nanoscale.

Таким образом, поверхностный слой на глубину до 20-30 нм состоит из наноразмерных элементов, имеющих прочную связь между собой в тангенциальном направлении и прочную связь с поверхностью исходного железа (стали), делает электроды более активными в катодной реакции.Thus, the surface layer to a depth of 20-30 nm consists of nanosized elements that have a strong bond between themselves in the tangential direction and a strong bond with the surface of the starting iron (steel), making the electrodes more active in the cathodic reaction.

Таблица 2.Table 2. Плотность тока катодного выделения водорода (i, мA/см2) в 0,1М NaOH при перенапряжении η=200 мВ и перенапряжении выделения водорода при плотности катодного тока i=1 мA/см2 The current density of the cathodic evolution of hydrogen (i, mA / cm 2 ) in 0.1 M NaOH at an overvoltage of η = 200 mV and the overvoltage of hydrogen evolution at a density of the cathodic current i = 1 mA / cm 2 Образец, №Sample No. Материал образцаSample material i, мA/см2 i, mA / cm 2 η, мВη, mV 1one Fe-C; 0,2 ммFe-C; 0.2 mm 2,822.82 183183 22 Fe-C; 0,4 ммFe-C; 0.4 mm 3,103.10 158158 33 Fe-C; 0,6 ммFe-C; 0.6 mm 7,157.15 103103 4four Fe-армкоFe Armco 0,810.81 263263 55 ст.40Art.40 2,312,31 203203 66 NiNi 4,104.10 143143

Список использованной литературыList of references

1. Якименко Л.М. Электрохимические процессы в химической промышленности: производство водорода, кислорода, хлора и щелочей. М.: Химия, 1981. с.52-60.1. Yakimenko L.M. Electrochemical processes in the chemical industry: the production of hydrogen, oxygen, chlorine and alkalis. M .: Chemistry, 1981. p. 52-60.

2. Цирлина Г.А., Петрий О.А. Электрохимия карбидов. В книге: Итоги науки и техники. Серия «Электрохимия». М.: ВНИТИ, 1987. Т. 24, с.154-206.2. Tsirlina G.A., Petriy O.A. Electrochemistry of carbides. In the book: Results of science and technology. Series "Electrochemistry". M .: VNITI, 1987.V. 24, p. 154-206.

3. Коростылева Т.К., Подобаев Н.И., Деваткина Т.С. Защита металлов, 1983. Т. 18, №4, с.531-556.3. Korostyleva TK, Podobaev NI, Devatkina TS Protection of metals, 1983. T. 18, No. 4, p.531-556.

4. Патент РФ №2443506. Способ изготовления покрытия на изделии методом послойного лазерного синтеза.4. RF patent No. 2443506. A method of manufacturing a coating on the product by the method of layered laser synthesis.

5. Программа для ЭВМ №2010614748. Программный комплекс «Компьютерная оптимизация процессов лазерной обработки порошков».5. Computer program No. 20100614748. The software package "Computer optimization of the processes of laser processing of powders."

Claims (2)

1. Способ изготовления материала электрода для электрохимического получения водорода, отличающийся тем, что на поверхность электрода наносят порошкообразную композицию Fe-C и осуществляют синтез нанокристаллических элементов Fe-C со средним размером в пределах 10-15 нм обработкой лазерными импульсами с длиной волны 1-1,5 мкм при плотности излучения 107-109 Вт/см2, скорости сканирования лазером 8-15 см/с, частоте импульсов 33-60 кГц в вакууме или в среде аргона, не доводя при этом процесс до плавления и появления карбида железа Fe3C.1. A method of manufacturing an electrode material for the electrochemical production of hydrogen, characterized in that a powder composition Fe-C is applied to the electrode surface and the synthesis of Fe-C nanocrystalline elements with an average size of 10-15 nm is processed by laser pulses with a wavelength of 1-1 , 5 μm at a radiation density of 10 7 -10 9 W / cm 2 , a laser scanning speed of 8-15 cm / s, a pulse frequency of 33-60 kHz in vacuum or in argon, without bringing the process to melting and the appearance of iron carbide Fe 3 C. 2. Материал электрода на основе железа в качестве катодного материала для электрохимического получения водорода, полученный способом по п.1. 2. The material of the electrode based on iron as a cathode material for the electrochemical production of hydrogen, obtained by the method according to claim 1.
RU2013109076/04A 2013-03-01 2013-03-01 Iron-based material for electrode for electrochemical production of hydrogen and method of its manufacturing RU2518466C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013109076/04A RU2518466C1 (en) 2013-03-01 2013-03-01 Iron-based material for electrode for electrochemical production of hydrogen and method of its manufacturing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013109076/04A RU2518466C1 (en) 2013-03-01 2013-03-01 Iron-based material for electrode for electrochemical production of hydrogen and method of its manufacturing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2518466C1 true RU2518466C1 (en) 2014-06-10

Family

ID=51216376

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013109076/04A RU2518466C1 (en) 2013-03-01 2013-03-01 Iron-based material for electrode for electrochemical production of hydrogen and method of its manufacturing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2518466C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2671942C1 (en) * 2016-10-27 2018-11-08 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Anode material and accumulator

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110114075A1 (en) * 2008-07-30 2011-05-19 Mills Randell L Heterogeneous hydrogen-catalyst reactor
US20110214996A1 (en) * 2009-12-02 2011-09-08 Akihito Yoshida Hydrogen production device and method for producing hydrogen
RU2443506C2 (en) * 2010-04-05 2012-02-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Удмуртский государственный университет" (УдГУ) Method of coating article by laser layer-by-layer synthesis

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110114075A1 (en) * 2008-07-30 2011-05-19 Mills Randell L Heterogeneous hydrogen-catalyst reactor
US20110214996A1 (en) * 2009-12-02 2011-09-08 Akihito Yoshida Hydrogen production device and method for producing hydrogen
RU2443506C2 (en) * 2010-04-05 2012-02-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Удмуртский государственный университет" (УдГУ) Method of coating article by laser layer-by-layer synthesis

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ЦИРЛИНА Г.А., ПЕТРИЙ О.А., ЭЛЕКТРОХИМИЯ КАРБИДОВ, Итоги науки и техники, серия "Электрохимия", М., ВИНИТИ, 1987, т.24, с.154-206. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2671942C1 (en) * 2016-10-27 2018-11-08 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Anode material and accumulator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. Rapid fabrication of high-entropy ceramic nanomaterials for catalytic reactions
Ma et al. Synthesis of Cu 3 P nanocubes and their excellent electrocatalytic efficiency for the hydrogen evolution reaction in acidic solution
Kahsay et al. Selective and low overpotential electrochemical CO 2 reduction to formate on CuS decorated CuO heterostructure
FI126197B (en) Method of extracting metal nanoparticles from solutions
Katkar et al. Synthesis of hydrous cobalt phosphate electro-catalysts by a facile hydrothermal method for enhanced oxygen evolution reaction: effect of urea variation
Hareesh et al. Reduction of graphene oxide by 100 MeV Au ion irradiation and its application as H2O2 sensor
Ru et al. Morphology-controlled preparation of lead powders by electrodeposition from different PbO-containing choline chloride-urea deep eutectic solvent
Shibli et al. Synthesis and development of nano WO3 catalyst incorporated Ni–P coating for electrocatalytic hydrogen evolution reaction
Jiang et al. Ultra-thin shelled Cu2-xS/MoS2 quantum dots for enhanced electrocatalytic nitrogen reduction
He et al. The electrochemical dissolution behavior research of titanium alloy underdifferent electrolyte
Lange et al. Characterisation and electrochemical behaviour of electrodeposited Cu–Fe foams applied as pseudocapacitor electrodes
Poorahong et al. An efficient porous molybdenum diselenide catalyst for electrochemical hydrogen generation
Lodhi et al. Additively manufactured 316L stainless steel: An efficient electrocatalyst
Song et al. Self-supported amorphous nickel-iron phosphorusoxides hollow spheres on Ni-Fe foam for highly efficient overall water splitting
Chen et al. Boosting nitrogen reduction to ammonia on Fe–N3S sites by introduction S into defect graphene
Gowthaman et al. Simultaneous growth of spherical, bipyramidal and wire-like gold nanostructures in solid and solution phases: SERS and electrocatalytic applications
Čović et al. Palladium-graphene hybrid as an electrocatalyst for hydrogen peroxide reduction
Moazami et al. Synthesis of manganese dioxide nanosheets and charge storage evaluation
RU2518466C1 (en) Iron-based material for electrode for electrochemical production of hydrogen and method of its manufacturing
Behera et al. Electrochemically functionalized graphene as an anti-corrosion reinforcement in Cu matrix composite thin films
Ignatova et al. Structure and еlectrocatalytic ability of Sn–Ni alloy powders prepared by direct and pulse electrodeposition
Rauscher et al. Spark-plasma-sintered porous electrodes for efficient oxygen evolution in alkaline water electrolysis
RU2513670C2 (en) Method of increasing corrosion stability of non-alloy steel
Shafiei et al. A novel route for electrolytic production of very branchy copper dendrites under extreme conditions
Liu et al. Preparation and electro-catalytic activity of nanoporous palladium by dealloying rapidly-quenched Al70Pd17Fe13 quasicrystalline alloy

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180302