一种FeCoNiMg高熵非晶合金粉末的析氧催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种FeCoNiMg高熵非晶合金粉末析氧催化剂及其制备方法。该催化剂分子式为Fe4‑

【技术实现步骤摘要】
一种FeCoNiMg高熵非晶合金粉末的析氧催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于析氧催化剂
，具体涉及一种FeCoNiMg高熵非晶合金粉末析氧催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]当今世界，全人类都面临着能源匮乏、环境污染两大全球性难题，为了使这两大问题得到缓解，人们正着力开发、利用氢气等绿色清洁能源。回顾人类所消耗的能源形式，远古时代的钻木取火、农耕时代开始使用的煤炭、工业时代大规模应用的石油与天然气，这些能源载体的变化体现了减碳加氢、碳氢比降低的趋势。当前，我国碳达峰、碳中和发展目标的提出，将进一步提速减碳的过程。氢气作为零碳的能源载体，正在得到越来越多的关注：2050年世界上20％的CO2减排可以通过氢能替代完成，氢能消费将占世界能源市场的18％。《巴黎协定》正加速全球能源体系从化石燃料为主向高效、可再生的低碳能源体系转型。氢气来源广泛，热值高，清洁无碳，可储能、发电、发热，灵活高效，应用场景丰富，被认为是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想能源载体，备受各国青睐。氢能是一种理想的二次能源，与其他能源相比，氢热值高，其能量密度(140MJ/kg)是固体燃料(50MJ/kg)的两倍多。且燃烧产物为水，是最环保的能源，既能以气、液相的形式存储在高压罐中，也能以固相的形式储存在储氢材料中，如金属氢化物、配位氢化物、多孔材料等。因此，氢被认为是最有希望取代传统化石燃料的能源载体。
[0003]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。
[0004]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。工业化的水电解技术的工业应用始于20世纪20年代，碱性液体电解槽电解水技术已经实现工业规模的产氢，应用于氨生产和石油精炼等工业需求。20世纪70年代之后，能源短缺、环境污染以及太空探索方面的需求带动了质子交换膜电解水技术的发展。同时特殊领域发展所需的高压紧凑型碱性电解水技术也得到了相应的发展。目前可实际应用的电解水制氢技术主要有碱性液体水电解与固体聚合物水电解两类技术。碱性液体水电解技术是以KOH、NaOH水溶液为电解质，如采用石棉布等作为隔
膜，在直流电的作用下，将水电解，生成氢气和氧气。产出的气体需要进行脱碱雾处理。碱性液体水电解于20世纪中期就实现了工业化。但是，在液体电解质体系中，所用的碱性电解液(如KOH)会与空气中的CO2反应，形成在碱性条件下不溶的碳酸盐，如K2CO3。这些不溶性的碳酸盐会阻塞多孔的催化层，阻碍产物和反应物的传递，大大降低电解槽的性能。另一方面，碱性液体电解质电解槽也难以快速的关闭或者启动，制氢的速度也难以快速调节，因为必须时刻保持电解池的阳极和阴极两侧上的压力均衡，防止氢氧气体穿过多孔的石棉膜混合，进而引起爆炸。
[0005]由于碱性液体电解质电解槽仍存在着诸多问题需要改进，促使固体聚合物电解质(SPE)水电解技术快速发展。首先实际应用的SPE为质子交换膜(PEM)，因而也称为PEM电解。以质子交换膜替代石棉膜，传导质子，并隔绝电极两侧的气体，这就避免了碱性液体电解质电解槽使用强碱性液体电解质所带来的缺点。PEM电解槽的运行电流密度通常高于1A/cm2，至少是碱水电解槽的四倍以上，具有效率高、气体纯度高、绿色环保、能耗低、无碱液、体积小、安全可靠、可实现更高的产气压力等优点，被公认为制氢领域极具发展前景的电解制氢技术之一。典型的PEM水电解池主要部件包括阴阳极端板、阴阳极气体扩散层、阴阳极催化层和质子交换膜等。其中，端板起固定电解池组件，引导电的传递与水、气分配等作用；扩散层起集流，促进气液的传递等作用；催化层的核心是由催化剂、电子传导介质、质子传导介质构成的三相界面，是电化学反应发生的核心场所。
[0006]电解水的反应主要包括两个反应，一个是产氧反应，另一个就是产氢反应。要想能够使电解水反应进行，至少需要提供1.23V的电压才能驱动此反应正常进行。因此，需要提供具有足够高活性的电催化剂，在众多催化剂中，贵金属电催化剂是目前具有高活性的电解水催化剂。析氢、析氧电催化剂对整个水电解制氢反应十分重要。理想电催化剂应具有抗腐蚀性、良好的比表面积、气孔率、催化活性、电子导电性、电化学稳定性以及成本低廉、环境友好等特征。阴极析氢电催化剂处于强酸性工作环境，易发生腐蚀、团聚、流失等问题，为保证电解槽性能和寿命，析氢催化剂材料选择耐腐蚀的Pt、Pd贵金属及其合金为主。相比阴极，阳极极化更突出，是影响PEM水电解制氢效率的重要因素。苛刻的强氧化性环境使得阳极析氧电催化剂只能选用抗氧化、耐腐蚀的Ir、Ru等少数贵金属或其氧化物作为催化剂材料，其中RuO2和IrO2对析氧反应催化活性最好。相比RuO2，IrO2催化活性稍弱，但稳定性更好，且价格比Pt便宜，成为析氧催化剂的主要材料，与析氢催化剂相似，开发在酸性、高析氧电位下耐腐蚀、高催化活性非贵金属材料，降低贵金属载量是研究重点。复合氧化物催化剂、合金类催化剂和载体支撑型催化剂是析氧催化剂的研究热点。
[0007]由此可见，由于贵金属催化剂价格昂贵，而且储量也相对较少，这极大限制了其大规模生产应用。因此，想让电解水产氢变得高效且能够产业化就必须找到析氢性能好且价格低廉的析氢催化材料。目前已报道的大多数性能优异的电解水催化剂均属于单金属或双金属的范畴，但是单金属或双金属电解水催化剂大多数仍需要很大的过电位才能在碱性电解液中达到理想的电流密度，这可能是由于电化学活性位点和电极结构的问题，具体情况则是由于没有用于水解离的电化学活性位点，不适当的氢结合能导致H的吸附和结合比较缓慢，同时使用了绝缘聚合物粘合剂制成的电极的电子转移性和传质性较差，其目的是为了保持合成催化剂的低维纳米结构。
[0008]因此迫切需要探索新颖而多功能的电解水催化剂，此时高熵合金(HEA)由于其具
备复杂的功能特性自然而然进入了大众视野。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，表现出许多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高熵非晶合金纳米颗粒析氧催化剂，其特征在于，所述析氧催化剂为FeCoNiMg高熵非晶合金颗粒，该高熵非晶合金颗粒粉末呈纳米花状结构，纳米粉末粒径分布10nm
‑
100nm。2.根据权利要求1所述的高熵非晶合金纳米颗粒析氧催化剂，其特征在于，制备高熵非晶合金颗粒过程为：通过混合铁盐、钴盐、镍盐和镁盐进行金属盐水解，利用一次性还原法制备高熵非晶合金粉末，所述铁盐、钴盐、镍盐和镁盐中摩尔量为1:1:1:1～3:3:3:1。3.一种高熵非晶合金纳米颗粒析氧催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将水溶性亚铁盐、钴盐、镍盐和镁盐均匀混合，在所得混合金属盐中加入水，搅拌至完全溶解，得到反应前驱溶液；(2)称取硼氢化钠配置成硼氢化钠溶液；(3)在机械搅拌下，通入保护气体，同时向所述前驱体溶液中缓慢滴加硼氢化钠溶液，直至滴加完全；(4)对反应后溶液进行抽滤，对抽滤所得的粉末进行清洗，然后真空干燥，即得到FeCoNiMg高熵非晶合金纳米颗粒。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中亚铁盐、钴盐、镍盐和镁盐按照摩尔比1:1:1:1～3:3:3:1混合，上述金属盐选择为对应的硝酸盐、醋酸盐、乙酰丙酮...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗芳，闫志杰，武伟，李大赵，王睿，康燕，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：