[发明专利]一种FeCo基金属玻璃薄膜电催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种FeCo基金属玻璃薄膜电催化剂及其制备方法与应用，其是以FeCo基金属玻璃薄膜作为电催化剂，成分为Fe_80‑xCo_xP₁₃C₇，20≤x≤60。本发明的FeCo基金属玻璃薄膜采用磁控溅射方法制得，具有良好的析氧催化性能，可用于作为析氧电催化剂。

技术领域

本发明属于电催化材料应用领域，具体涉及一种FeCo基金属玻璃薄膜电催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

由于化石燃料的不断消耗和日益凸显的环境问题，使得寻求清洁和可持续利用的新能源成为越来越被重视的课题。在众多的新能源中，氢能由于能量密度高、清洁(产物为水)和可持续利用等优点成为研究的热点。

电催化分解水制备氢气是一种高效率、应用性强的方法。其中阳极的析氧反应是一种四电子反应过程，其相较于析氢反应具有较大的过电位，而提高析氧反应的性能有助于降低电解水所需的总能量。析氧反应也涉及到可充电式的金属空电池、光催化分解水、光催化合成氨等重要领域，研究具有高效析氧性能的催化剂对于推动其他领域研究的进展具有重大的意义。目前，Ir、Ru以及其氧化物等一些贵金属是析氧反应活性最高的催化剂，但是其成本高和含量少的弊端大大限制了大规模的推广应用。为了避免高昂的使用成本，过渡金属合金及其氮化物、硼化物、碳化物、硫化物以及磷化物在析氢析氧反应电催化方面的研究受到了广泛的重视。一系列过渡金属化合物被制备出来并展现出优异的电催化性能。此后相关的材料一直成为电催化材料的研究热点。

非晶材料，如金属玻璃(也被称为玻璃金属或合金)，由于在腐蚀介质中具有很好的稳定性以及高催化活性，因而被大家认为是一种潜在的电催化剂。鉴于金属玻璃的优良性能，包括优异的机械性能、低廉的生产成本以及良好的耐腐蚀性，设计一种基于过渡金属FeCo基的非晶合金薄膜实现高的析氧电催化活性的催化剂具有很高的价值。

发明内容

本发明的目的是制备出具有优异电催化活性的FeCo基金属玻璃薄膜用于高效析氧反应，从而解决现有电催化剂电流密度低过电位高、稳定性差的问题。

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

本发明首先公开了一种FeCo基金属玻璃薄膜电催化剂，其是以FeCo基金属玻璃薄膜作为电催化剂，所述的FeCo基金属玻璃薄膜按各元素的原子百分数的结构式为：Fe_80-xCo_xP₁₃C₇，20≤x≤60，其中x为Co元素的原子百分数。优选的，所述的FeCo基金属玻璃薄膜按各元素的原子百分数金属玻璃薄膜的结构式为：Fe₄₀Co₄₀P₁₃C₇，通过对不同成分的摸索和测试，证明Fe₄₀Co₄₀P₁₃C₇金属玻璃薄膜具有最优的析氧催化性能。

优选的，所述的FeCo基金属玻璃薄膜的厚度为500nm-3μm，为单相非晶结构。

本发明还公开了所述FeCo基金属玻璃薄膜电催化剂的制备方法，其特点在于：

按照各元素的原子百分数，以Fe粉、Co粉、P粉和C粉为原料，制成合金靶材；然后以碳纸作为衬底材料，通过真空磁控溅射的方法制得FeCo基金属玻璃薄膜电催化剂。具体包括如下步骤：

(1)按照各元素的原子百分数，将Fe粉、Co粉、P粉和C粉混合配料，然后置于真空电弧熔炼炉中，抽真空后通入纯度为99.99％的氩气，进行电弧熔炼，且为了保证合金成分的均匀性，母合金在炉内反复熔炼不少于4次，在每次熔炼过程中尽量慢地熔炼磷铁和碳粉，防止温度过高导致原材料挥发，制得母合金铸锭；

再将所述母合金铸锭熔融冶炼，制得成分均匀的合金靶材；