[发明专利]一种多级孔高熵合金电解水催化剂的制备方法

说明书

本发明属于电催化应用技术领域，涉及一种多级孔高熵合金电解水催化剂的制备方法，该方法利用熔体金属与预合金组元之间混合焓差异，将熔炼的高熵预合金置于熔融金属M中，熔融金属M选择性地与预合金中混合焓为负的元素发生反应，形成富M和贫M的多相组织；再利用酸性溶液选择性去除合金中较活泼的富M相，剩余组分通过扩散形成三维双连续的、具有多级孔结构的高熵合金，大孔尺寸为500纳米到2微米,小孔尺寸为40‑200纳米。在降低成本的同时，通多主元过渡族金属之间的协同效应和多级孔结构可大大提高材料的电解水产氧性能，在10mA cm^‑2所需的过电位为260‑300mV，具有很大的潜在的工业应用价值。

技术领域：

本发明属于多级孔高熵合金电极材料在电催化应用技术领域，尤其涉及一种多级孔高熵合金电解水催化剂的制备方法。

背景技术：

随着工业社会的发展，社会能源危机和环境问题日益严峻，清洁能源的获取技术显得愈发重要。氢能作为公认的绿色清洁能源，具有高效、无污染、易储运等特点，被誉为21世纪最具有发展前景的可再生能源，得到了世界各国的广泛关注。在各种制氢技术中，电解水制氢具有产品纯度高、工艺简单、绿色可循环等优点，被认为是未来通向“氢经济”的最佳途径。然而，电解水制氢面临的催化剂成本高、反应效率低、电能消耗大等问题，严重限制了它的大规模应用。因此，研发廉价、高效的新型电催化材料是实现电解水制氢技术工业应用的关键，对于促进氢能的开发和利用、缓解能源危机具有重要的现实意义。

电解水反应包括两个半反应：阴极发生析氢反应(Hydrogen EvolutionReaction，HER)和阳极发生析氧反应(Oxygen Evolution Reaction，OER)。相对于两电子的HER过程，阳极的四电子OER过程具有较高的过电位和较低的反应速率。过电位越大，反应消耗电能越高，导致成本显著增加(电费占总成本的70～80％)。因此，亟需高效催化剂来加速OER和HER进程，以突破低效率和高过电位对电解水制氢技术工业应用的掣肘。目前，在电催化分解水反应中性能最好的仍然是贵金属，例如：Pt被认为是最好的HER催化剂，而RuO₂和IrO₂是目前常用的OER催化剂。然而，贵金属催化剂材料价格昂贵、储量稀少的特点严重限制了其实际应用前景。因此，研发价格低廉、储量丰富且高效的非贵金属催化剂是推动电解水技术商业化进程的关键，不仅是当前电催化领域研究的焦点，也是材料科学领域面临的一大挑战

高熵合金(High Entropy Alloy，HEA)是近来发展起来的一类新型结构-功能一体化多主元金属材料，具备一系列优异的力学、物理和化学性能。最新研究表明，高熵合金具有优异的电解水催化活性，有成为新一代廉价、高性能电催化材料的潜力，因而引起了国内外研究者的广泛兴趣。例如：有研究者采取熔炼和化学脱合金的方法制备纳米多孔高熵合金，应用于双功能催化水裂解产氢和产氧方面，显示出良好的性能(CN 107587158 B)；有研究者尝试使用微波烧结的方法制备孔隙率在30％-60％之间的多孔高熵合金电极(CN111074292 A)，用于电解水制氢多。尽管目前报道的多孔高熵合金显示出良好的电解水催化活性(较低的过电位和Tafel斜率)，但其稳定性还有待提高。催化剂能否大规模工业应用很大程度上取决于其稳定性。相对于单一均匀孔结构的多孔电极材料，多级孔结构的电极材料具有以下优势：小尺度的纳米孔赋予材料大的比表面积和丰富的活性位点，显著提高材料的催化活性；微米尺度的大孔有利于反应过程中物质传输，及时排出反应产生的气体，可以赋予材料优异循环稳定性。然而，应用于电解水领域的多级孔结构的高熵合金目前尚未见报道。

发明内容：

本发明公开了一种多级孔高熵合金电解水催化剂的制备方法，以解决现有技术的上述技术问题以及其他潜在问题中的任意问题。