针对工业锅炉用水、油气田采出回注水等工业用水中溶解氧的存在导致设备腐蚀、井堵及产品质量下降等一系列问题，本研究通过电沉积法高效地制备出NiCoFe三元合金，作为阴极脱氧的氧还原反应（ORR）催化电极，NiCoFe合金有着较大的比表面积和优异的表面形貌。
在三电极体系中对不同电流密度下的NiCoFe合金进行了ORR性能测试，半波电位为0.782V，起始电位为0.936 V，极限电流密度为2.9 mA/cm
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，通过RRDE测试显示合金的转移电子数n=3.52，接近于商用Pt/C催化剂的四电子转移，通过小试设备在模拟工业水中进行溶解氧的去除，脱氧效率达99%以上。
结果表明，NiCoFe合金是一种性能优异的ORR电催化剂材料，对于工业生产中溶解氧的去除有着重要的应用价值。
通过该项目的开展研究，利用价格相对便宜的镍、铁等非贵金属材料为原料，通过电化学沉积的方法得到跟铂、金等贵金属具有同等电化学脱氧能力的电极材料，成功解决了材料合成成本高的问题。与科研院校所研究的电极材料不同，该脱氧电极材料可在5000 μg/L的富氧水中将水中溶氧值降至35 μg/L以下,可实现工业化应用生产。
在工业锅炉、油田采油、医药研究以及电子器件生产等过程中，水中溶解氧的存在往往会造成设备腐蚀、井堵及产品质量下降等一系列问题。电化学除氧作为一种新型的除氧手段，具有效率高，设备简单，操作灵活，便于自动化的特点，受到广泛关注。近年来一些学者提出了一些新型的电化学脱氧方法，最常见的是隔膜电解脱氧，其采用离子交换膜将阴阳极隔开，采用化学性能稳定的贵金属电极作为阳极，阴极选用具有良好氧还原活性的导电材料。水中的溶解氧在阴极上发生氧还原反应，在阳极上析出气态的氧气，进而实现O
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（aq）→O
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（g）过程。本研究制备了NiCoFe合金用作阴极材料，以改善催化活性，以此提升反应器脱氧性能。
文章首先以钛片为电沉积基材，通过电沉积法制备了具有氧还原性能的NiCoFe三元合金材料，该材料有着花椰菜形状和良好的合金结晶度，相比于其他商用的金属催化剂材料脱氧效果更加优异。电沉积电流密度对NiCoFe合金的结构和电催化性能都有着一定的影响，当电沉积电流密度为1.0 A/cm
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时，所制备合金电催化活性最好，起始电位Eonset=0.936 V，半波电位E1/2=0.782 V。
之后针对该电极材料在水中除氧的特点，设计了一种小型化水处理模型，以检测所制备材料的除氧性能。如图1所示，电化学阴极脱氧小试装置由不锈钢板材料加工的阴极室和有机玻璃材料加工的阳极室构成，阳极室内装填钛铱DSA网状电极，阴极室槽内装填NiCoFe合金网状电极，中间为全氟磺酸阳离子交换膜（膜间距控制为1 mm），通过LongerPump BT100-2J蠕动泵控制进水流量，出水口处与梅特勒便携式微量溶氧仪相连接以检测水中溶解氧，通过外接直流电源控制阳极施加电流/电压。
图1 电化学脱氧装置示意
在脱氧装置的脱氧评价中，当接入电流为理论电流的2倍时，合金的脱氧效果最好，出水溶解氧低至35 μg/L。
通过电沉积制备的NiCoFe合金在工业水脱氧中具有广阔的市场前景，为脱氧材料的商业化提供了新的思路，未来将会从宏观和微观层面上对脱氧反应装置和材料的性能进行优化，通过ORR催化剂的改性使脱氧装置更加小型化、多样化，更好地解决溶解氧过高的问题。
第一作者
：
王锡民，中国石油大学（北京）硕士，中海油天津化工研究设计院有限公司-项目工程师。E-mail：[email protected]。
通讯作者：
朱田震，大连理工大学博士，中海油天津化工研究设计院有限公司-高级工程师。E-mail：[email protected]。
（
来源
：《工业水处理
》
2024年第6期
）
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