[发明专利]用于在酸性条件下催化电解水析氢反应的催化材料、制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种用于在酸性条件下催化电解水析氢反应的催化材料，包括：衬底；形成在所述衬底上的非晶合金薄膜，所述非晶合金薄膜含有至少一种铂系金属元素、至少一种前过渡金属元素和至少一种后过渡金属元素；其中所述非晶合金薄膜的成分由以下化学式表示：(Ir_aPt_bPd_c)(Ti_dZr_eHf_fNb_gTa_hMo_iW_j)(Fe_kCo_lNi_mCu_n)，其中，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n分别是各元素的原子分数，并且20≤a+b+c≤30，30≤d+e+f+g+h+i+j≤50，30≤k+l+m+n≤50，且a+b+c+d+e+f+g+h+i+j+k+l+m+n＝100。本发明还涉及该催化材料的制备方法及其应用。

技术领域

本发明涉及电化学、凝聚态物理和材料科学技术领域，特别是涉及一种用于在酸性条件下催化电解水析氢反应的催化材料、制备方法及其应用。

背景技术

随着全球人口和能源需求快速增长，人类的能源前景已经引起了世界范围的高度关注。目前，化石燃料仍然是人类的主要能量来源。据国际能源总署报道，2013年全球能源需求达到18太瓦(1太瓦＝10¹²瓦)，其中绝大部分(～80％)来源于煤、石油和天然气等化石燃料。这些经过上百万年自然过程形成的储量有限的化石燃料在短期内的大量使用已经并且继续在造成二氧化碳过度排放、全球气候变暖等严重后果。因此，开发环境友好的、清洁的可再生能源刻不容缓，这也是21世纪人类面临的重要挑战之一。

氢气因具有极高的比能量并且燃烧产物只有水而被视为一种理想的能源载体。早在1970年，就有人提出以“氢经济”作为未来能源产生、供给和使用的核心。不过，与化石燃料不同，地球上几乎没有自然存在的氢气。现今，超过95％的氢气是通过蒸汽甲烷转化法和煤炭气化法生产的，但是，这两种方法都不可避免地会造成二氧化碳排放，导致环境污染。因此，另一种只用水作为原料的产氢方法，即电解水制氢，正受到越来越多的关注。特别地，如果用来电解水的电能是来源于太阳能和风能等间歇性可再生能源，就可以实现一个完全清洁的产能和耗能循环。

原理上，在浸入电解液的阴极和阳极之间施加1.23V的电压就可以进行水的电解反应，即，在阴极和阳极上分别进行析氢反应和析氧反应，从而分别产生氢气和氧气。而现实中，为了达到一定的几何电流密度(即电流与电极表面几何投影面积的比)，需要在阴极和阳极间施加大于1.23V的电压，高出理论值的这部分电压被称为过电压，这是需要额外付出的能量。为了尽可能降低过电压，通常是在电解反应中使用催化剂，从而实现更高效的电解水制氢。另外，由于纯水的电导率非常低，所以实际电解水的过程通常是在酸性或碱性支持的电解质环境下进行的。相较于碱性电解质条件，在酸性电解质条件下的聚合物电解质膜电解池能够在更高的电流密度下更稳定地工作，因而具有更为广阔的应用前景。不过，这项技术目前所依赖的析氢反应催化剂是储量稀少、价格昂贵的金属Pt，这成为限制其大规模应用的瓶颈。因此，开发一种在酸性条件下具有高催化活性和稳定性的、成本较低的析氢反应催化剂具有重要意义。