不同沉積時間對電解水陰極氫氣還原的性能影響

表面形貌與特性分析

此章節針對經過不同的無電鍍沉積時間在半層的鎳反蛋白石結構上之 後對表面形貌、成分與電化學特性研究。使用 SEM 觀測沉積不同時間的樣 品，如下圖 4.14 為（a）未經過無電鍍沉積過程的鎳反結構平面圖與（b）

側面圖，與無電鍍沉積時間分別為（c）30 分鐘（d）2 小時（e）4 小時的 SEM 平面圖。透過 SEM 圖，可以清楚的觀察到在 30 分鐘的沉積時只可以

看得到更些許釕元素的顆粒分散在表面，隨著沉積時間增加到 2 小時，可 以明顯感覺表面形貌與光滑的鎳反蛋白石結構不同，洞口的口徑縮小，並 且在高倍率下仔細觀察可以發現表面並不平整。當到達 4 小時的沉積之後，

由洞口口徑更明顯的縮小可以知道膜厚變厚。藉由 EDX 分析釕元素的原子 比可以得到釕元素原子比例與無電鍍沉積時間的關係圖，如下圖 4.15 所示，

且此 EDX 結果與本實驗詴先前在銅平板上無電鍍釕的研究結果相符合，並 且搭配感應偶合電漿放射質譜儀（ICP-Mass）的結果可以發現兩者的趨勢 相同，如圖 4.16 所示。下圖 4.14（f）為沉積時間 2 小時的 SEM 剖面圖。

當沉積時間到達 2 小時之後便可以明顯的觀察到沿著結構生長且厚度約 50 nm 的釕薄膜，而在沉積時間到達 2 小時之前由剖面圖並無法觀察到鍍層，

搭配平面的 SEM 圖可以知道當沉積時間到達 2 小時才會成膜。

圖 4.14〆無電鍍沉積時間分別為未經過無電鍍沉積過程的鎳反蛋白石結構的

（a）平面圖與（b）剖面圖與經過無電鍍沉積（c）30 分鐘（d）2 小時（e）4 小時的 SEM 平面圖（f）經過無電鍍沉積 2 小時的 SEM 剖面圖。

0 1 2 3 4 0

1 2 3

R u A to m ic ( % )

Time ( hours)

圖 4.15〆由 EDX 分析得到釕元素與無電鍍沉積時間的關係圖。

0 1 2 3 4

0 2 4 6 8 10 12

Time (hours)

L o a d in g m a s s o f R u ( m g )

圖 4.16〆ICP-Mass 的定量結果分布圖。

電解水陰極的電化學量測（HER）

下圖 4.17 是（a）半層的鎳反蛋白石結構與經過無電鍍沉積（b）30 分 鐘（c）2 小時（d）4 小時在電解水陰極的電流密度對電壓的曲線圖，插圖 是-1.55 V 到-1.8 V 的放大圖，可以更清楚的觀察到不同時間在-1.8 V 時的電 流密度差異。由此電化學的結果可以看到，在沉積時間在 2 小時以前，在-1.8 V 的電流值隨著時間與釕元素含量的上升而更明顯的上升。當沉積時間到 達兩小時之後，在 HER 的效能卻隨著沉積時間的上升與釕元素量的上升而 下降。由圖 4.18 與圖 4.19 可以清楚看到當沉積時間到達 6 小時時，可以看 到在-1.8 V 的電流密度趨近無電鍍沉積在鎳平板的電流密度。搭配上 SEM 的結果可以推測一開始因為釕元素的沉積使得催化效果上升，當沉積時間 到達 2 小時，HER 的催化效果會隨著觸媒含量上升而上升，但隨著時間的 上升膜厚也跟著增加，當沉積時間到達 4 小時或 6 小時時，隨著鍍層的增 厚表面機下降的幅度比起釕元素上升的量要多，所以沉積時間到達 6 小時 之後在 HER 的催化效果漸漸接近平板結構的效能。

-1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2

-1.80 -1.75 -1.70 -1.65 -1.60 -1.55 -0.07

Potential / V vs. (Ag/AgCl) Current Density (A/cm2 )

C u rr e n t D e n s it y ( A /cm

)

Potential / V vs. (Ag/AgCl)

圖 4.17〆（a）半層的鎳反蛋白石結構（■）與經過無電鍍沉積（b）30 分鐘

C u rr e n t D e n s it y ( A /cm

)

Time (hours)

圖 4.18〆在-1.8 V 量測的 HER 電流密度與不同無電鍍沉積時間的關係圖。

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