New porous iron electrode for hydrogen evolution - production and properties

• Autorzy: Jaron A. , Żurek Z.

Warianty tytułu

PL

Nowa porowata elektroda żelazna do produkcji wodoru - otrzymywanie i własności

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A new method of fabrication of porous iron electrodc is presented. In due of growing interest for hydrogen production by use of electrochemical technology, the extensively research of new cheaper electrode materiał currently are lead. At present production of industrial porous metal electrodes is mainly based on fabrication nickel HSE (high surface area) electrodes by sintering of nickel powder in oxygen less atmosphere or etching of Raney alloy to Ni-Raney electrodes. We proposed to use cheaper porous iron electrodes produced from iron powder instead of the expansive nickel ones. An inexpensive method of production is based on successive oxidation and reduction of the iron powder bed. This work deals with kinetics of oxidation at 400 and 600°C of iron powder bed in air and water vapor. Thermal effect during oxidation process was determined by DTA/TG analysis. Reduction process of porous oxidized precursor in hydrogen at 600° C was also studied. The surface morphology of the porous oxidized precursor as well as the received porous metallic iron structure were examined by SEM. The chemical composition was determined by SEM/EDX and XRD analysis. The optimal condition (i.e. time, temperaturę) for fabrication process of iron porous electrode with highest specific surface area and open porosity was appointed. The electrochemical properties of porous iron electrodes (obtained in different conditions of oxidation process) were examined by potentiodynamic measurement. The current-potential dependence was obtained in IM KOH at 70°C vs. Hg—HgO reference electrode i.e. in conditions corresponding with industrial process of hydrogen production. Hydrogen evolution reaction on iron in conditions mentioned above is considering with the Volmer-Heyrovsky-Tafel kinetic mechanisms. For porous electrode and bulk sample iron and nickel electrodes the E100 potential corresponding for evolution of hydrogen with current density 1000 A/m2 was determined. E100 potential is assuming values from -1.24 to -1.32 V (depends of sample history) for porous iron electrodes. This potential for bulk iron electrode (-2.96V) and nickel (-1.50V) is significantly higher.

PL

W dobie poszukiwania nowych materiałów o rozwiniętej powierzchni stosowanych w elektrochemicznej produkcji gazów oraz jako nośniki katalizatorów jednym z podstawowych czynników decydujących o ich przydatności jest koszt wytworzenia. Obecnie porowate elektrody przeznaczone do zastosowania w elektrochemii i katalizie przemysłowej otrzymuje się na drodze spiekania proszków metalicznych z podłożem metalicznym lub rozwija się powierzchnię metalu na drodze trawienia np. nikiel Raney'a. W prezentowanym artykule przedstawiano korzystniejszy ekonomicznie sposób wytwarzania porowatych elektrod żelaznych w procesie sekwencyjnego utleniania i redukcji. W pracy przedstawiono badania kinetyki utleniania proszku żelaza w temperaturze 400 i 600°C w atmosferze powietrza i pary wodnej. Efekty termiczne w czasie procesu utleniania zostały określone na drodze analizy DTA/TG. Badania procesu redukcji porowatego prekursora tlenkowego prowadzono w temperaturze 600°C w atmosferze wodoru. Wykonano badania morfologii (SEM) dla otrzymanych spieków tlenkowych jak i porowatych struktur metalicznych otrzymanych w wyniku procesu redukcji. Skład próbek określono przy pomocy analizy SEM/EDX i XRD. Na podstawie przeprowadzonych badań wyznaczono optymalne warunki (czas, temperatura) procesu wytwarzania porowatej elektrody żelaznej o wysoce rozwiniętej powierzchni właściwej oraz zaproponowano mechanizm utleniani złoża proszku żelaza. Właściwości elektrochemiczne wytworzonych elektrod oceniono na drodze badań potencjodynamicznych. Zależność prąd-napięcie mierzono w IM KOH względem elektrody odniesienia Hg—HgO w temperaturze 70°C - w warunkach odpowiadających przemysłowym warunkom otrzymywania wodoru. Mechanizm kinetyki wydzielania wodoru w/w warunkach odpowiada mechanizmowi wg Volmera-Heyrovskyego-Tafela. Dla porowatych elektrod żelaznych oraz próbek żelaznych i niklowych o gładkiej powierzchni wyznaczono potencjał E100 odpowiadający wydzielaniu wodoru prądem o gęstości 1000A/m2. Potencjał dla porowatych elektrod żelaznych E100 przyjmował wartości od -1.24 do -1.32 V w zależności od warunków otrzymywania elektrody. Potencjał ten dla elektrody żelaznej (-2.96 V) i elektrody niklowej (-1.50 V) o gładkiej powierzchni jest znacząco wyższy.

Słowa kluczowe

EN

oxidation; reduction; iron powder

PL

utlenianie; redukcja; proszek żelaza

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 53, iss. 3
• Strony: 847--853
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz. rys.

Twórcy

autor

Jaron A.

autor

Żurek Z.

• FACULTY OF CHEMICAL ENGINEERING AND TECHNOLOGY, CRACOW UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, UL. WARSZAWSKA 24, 31-155 KRAKÓW, POLAND

Bibliografia

• [1] A. Kowal, Chemia Stosowana, XXXIV, 3-4, 157-176 (1990).
• [2] A. Bielański, Chemia ogólna i nieorganiczna, Wydanie VII, PWN, Warszawa, 589 (1981).
• [3] A. S. Khanna, Introduction to High Temperaturę Oxidation and Corrosion, ASM International, 85 (2002).
• [4] S. Mrowec, T. Werber, Korozja Gazowa Metali Wydawnictwo Śląsk Katowice, 207 (1965).
• [5] N. Birks, G. H. Meier, Introduction to High Temperature Oxidation of Metals, 74 (1982).
• [6] Program: FactSage 5.3.1 - Integrated Thermodynamic Databank System, Thermafact 1976-2004.
• [7] A. Galerie, Y. Wouters, M. Caille t, Mat. Sci. Forum 369-372, 231 (2001).
• [8] Y. Ikeda, K. Nii, Transactions of Nat. Res. Inst. For Met. 26. 1, 52 (1994).
• [9] A. Rahmel, J. Tobolski, Corros. Sci. 5, 333 (1965).
• [10] A. Jaron, Z. Żurek, A. Stawiarski, J. Żurek, M. Horna, Ochr. przed kor., 11 s/A/2003, 97-101 (2003).
• [11] R. Michalik, Water vapour influence on the oxidation mechanism of ferritic Cr-steels., Thesis, Julich 23-32 (2002).
• [12] P. L. Surmanand J. E. Castle, Corros. Sci., vol. 9, (1969), 771.
• [13] P. L. Surman, Corr. Sci., vol. 13, 113 (1973).
• [14] A. Jaron, Z. Zurek, T Werber, Ochr. Przed kor., lls/A/2004, 39-42, (2004).