[发明专利]一种多孔结构高熵合金催化剂的制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种多孔结构高熵合金催化剂的制备方法与应用。该催化剂制备方法主要包括：将铁盐、钴盐、镍盐和镁盐均匀混合，通入保护气体，缓慢滴加硼氢化钠溶液，滴加及反应过程中保持强力机械搅拌及持续通入保护气体；然后进行抽滤、清洗、真空干燥，即得FeCoNiMg高熵合金粉末催化剂；最后将制备的高熵合金粉末与适量的NaCl粉末机械混合压成片状，再经过短时间热水中浸泡处理，得到大量的微孔、介孔和大孔，使得制备的催化剂具有大的比表面积。本发明制备的多孔高熵合金催化剂制备方法简单，效率高，成分均匀，且制备的多孔结构高熵合金催化剂表现出优异的电催化性能，具有低的过电势电位，低塔菲尔斜率，稳定性高等优点。

技术领域

本发明属于高熵合金纳米电催化剂功能材料技术领域，具体涉及一种多孔结构高熵合金催化剂的制备方法及其在电解水方面的应用。

背景技术

氢能源是一种很有前途的能源载体，她作为化石燃料的替代品可以有效减少二氧化碳的排放。氢能的利用需要从制氢开始，由于氢气在自然界极少以单质形式存在，需要通过工业过程制取。氢气的来源分为工业副产氢、化石燃料制氢、电解水制氢等途径，差别在于原料的再生性、CO₂排放、制氢成本。目前，世界上超过95％的氢气制取来源于化石燃料重整，生产过程必然排放CO₂；约4％～5％的氢气来源于电解水，生产过程没有CO₂排放。制氢过程按照碳排放强度分为灰氢(煤制氢)、蓝氢(天然气制氢)、绿氢(电解水制氢、可再生能源)。氢能产业发展初衷是零碳或低碳排放，因此灰氢、蓝氢将会逐渐被基于可再生能源的绿氢所替代，绿氢是未来能源产业的发展方向。

现目前，生产氢气的方法中较重要的一种方法是通过电解水来获得大量高纯度氢气，电解水制氢由于其操作简单，低成本，零温室气体排放和高能量转化效率，成为一种很有前景的制氢方式。通过水电解方式获得的氢气纯度较高，可达99.9％以上，可直接应用于对氢气纯度要求较高的精密电子器件制造行业。电解水制氢是在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子解离为氢气与氧气，分别在阴、阳两极析出。根据隔膜不同，可分为碱水电解、质子交换膜水电解、固体氧化物水电解。碱性电解水是一种先进的产氢方法。电解水涉及两个半反应，阳极上析氧反应和阴极上的析氢反应，而析氧反应和析氢反应过程涉及复杂的多电子转移过程，反应动力学迟缓。因此，为了提升这两个反应的效率，降低反应所需要的过电位，减少电能的消耗，迫切需要开发具有高活性和耐久性的电催化剂。

现有技术中的研究表明，贵金属Ir、Pt或Ru具有优异的HER/OER催化活性，如广泛的pH值适应性、较快的反应动力学和较低的过电势。但是贵金属的稀缺性和高昂的成本严重限制了其在电解水中的应用。降低贵金属含量并进一步提高其催化活性和稳定性是目前国际研究的重点。

高熵材料是一类由多种元素以等摩尔比或近等摩尔比组成的新型多主元材料，打破了传统的材料设计理念。高熵材料以其独特的晶体结构特征，表现出许多不同于传统材料的组织和性能特点。目前国内外已经研发出多种高熵材料，在力学、物理和化学性能等方面具有独特的优势，在很多领域具有巨大的应用潜力，已经成为国际材料学术界的重要研究热点之一。高熵合金由于特殊的高熵效应、以及多组元带来的晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应，使得高熵合金和传统合金存在很多性能上的差异，拥有一些优异或者独特的性质，如高强度、高硬度、良好的热稳定性、优异的耐磨和耐腐蚀性以及独特的电、磁、光、热等特性。高熵合金材料有望为电解水催化剂的发展提供一个广阔的平台，从高熵合金中去发现性能和稳定性均很优异的催化剂，其具有极其广阔的组成空间。多元金属纳米材料催化剂具有高熵合金在性能上的鸡尾酒效应，多种金属元素的不同组合方式以及不同的催化剂改性方法的结合为制备具有优异的多功能全解水催化剂提供了无限可能，因此高熵合金纳米材料催化剂在电解水制氢领域中具备着极大的潜力。