[发明专利]一种异构高熵合金催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种异构高熵合金催化剂及其制备方法和应用，所述异构高熵合金催化剂由表面贵金属和非贵金属高熵合金载体构成。所述异构高熵合金催化剂的制备包括配制非贵金属盐溶液、非贵金属的负载、非贵金属高熵合金的制备、异构高熵合金催化剂的制备四个主要步骤。本发明中的异构高熵合金催化剂，少量贵金属只分布于高熵合金表面，内部非贵金属高熵合金多元协调表面贵金属的电子结构提高催化活性，同时内部的高熵合金具有高熵稳定性，本发明提供的异构高熵合金催化剂具有成本低、活性高、稳定性高等优点。

技术领域

本发明属于合金催化剂制备技术领域，具体涉及一种异构高熵合金催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

催化剂是各种清洁能源转换技术的核心组元。贵金属催化剂目前仍然是最先进的高效催化剂，由于它们具有高的本征活性。但是它们的低储量、高花费、低稳定性限制了其大规模利用。因此，降低贵金属载量同时保持高活性和稳定性是高性能催化剂设计的关键。非贵金属与贵金属Pt、Ir、Ru、Rh、Pd合金化不仅仅减少贵金属含量，而且能调整贵金属电子结构，从而提高活性位点的本征活性及催化性能。

高熵合金(HEAs)指的是含五种或五种以上金属元素且原子比相近的单相合金，其是近年来多元合金催化材料的研究热点。相比于少元合金，高熵合金可通过成分设计，实现合金表面电子结构及吸附能的调节。而且得益于其自身高熵驱动的热力学及结构稳定性，高熵合金通常展现出很好的稳定性。专利文献CN113522308A提供了一种高熵合金催化剂的制备方法，制备得到的催化剂为球状粒子，Ir含量高，超过10％，其贵金属含量高，成本高。同时，催化反应通常只发生在催化剂表面，内部的贵金属没有参与反应造成贵金属浪费，传统均质高熵合金只有少量贵金属暴露在表面，大量的贵金属位于内部未被利用。因此，设计贵金属充分暴露同时兼具多元协调作用的催化剂是非常有必要的。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种异构高熵合金催化剂，少量贵金属元素分布在非贵金属高熵合金的表面，能够充分暴露贵金属，提高催化剂的催化活性，降低贵金属用量。

本发明的另外一个目的在于提供一种所述异构高熵合金催化剂的制备方法，工艺简单，成本低。

本发明的另外一个目的在于提供一种所述异构高熵合金催化剂在电化学催化中的应用，包括电解水、燃料电池、金属空气电池。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种异构高熵合金催化剂，所述异构高熵合金催化剂由表面贵金属和非贵金属高熵合金载体构成。

优选的，所述异构高熵合金中非贵金属的原子百分含量为95～99.95％，所述贵金属的原子百分含量为0.05～5％；其中，所述贵金属选自Pt、Ir、Ru、Rh、Pd、Au、Ag中的一种或多种；所述非贵金属高熵合金选自元素周期表中所有的非贵金属，例如Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Zr、Nb、Mo、Sn、Hf、Ta、W、La、Ce中的四种或以上。

本发明还要求保护所述异构高熵合金催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)配制非贵金属盐溶液；

(2)非贵金属的负载：将步骤(1)中非贵金属盐溶液滴加到基体上，非贵金属的负载量为1～40％；

(3)非贵金属高熵合金的制备：利用脉冲焦耳加热、快速热辐射、激光或微波方法对步骤(2)中负载有非贵金属的基体进行快速加热，加热完成后，即得非贵金属高熵合金；

(4)异构高熵合金催化剂的制备：利用置换反应、焦耳加热或电沉积对步骤(3)得到的非贵金属高熵合金进行处理，从而将贵金属负载到非贵金属高熵合金表面，处理完成后即得异构高熵合金催化剂。

优选的，步骤(1)中非贵金属盐溶液的浓度为0.01～1mol/L。