一种纳米多孔Fe基非晶合金及制备方法和在析氧催化电极上的应用技术

本发明专利技术涉及一种纳米多孔Fe基非晶合金及制备方法和在析氧催化电极上的应用，具体为：以Fe基非晶/纳米晶合金为前驱体，根据非晶相与纳米晶相具有不同的耐蚀性，通过对纳米晶相进行选择性腐蚀制备纳米多孔Fe基非晶合金。制备的纳米多孔Fe基非晶结构稳定，比表面积大，成分与形貌可调，可形成多孔结构与非晶纳米晶基体结合紧密的“多孔/基体/多孔”新型复合结构，有优异的析氧催化活性，可广泛应用在电解水析氧电极等领域。本发明专利技术所述制备方法简单，适用性广泛。

Nano porous Fe based amorphous alloy, preparation method and application thereof in oxygen evolution catalytic electrode

The present invention relates to a nano porous Fe based amorphous alloy and preparation method and catalytic electrode in oxygen evolution on the application, it uses Fe based amorphous / nanocrystalline alloy as the precursor, according to the amorphous and crystalline phases with different corrosion resistance, the nanocrystalline phase selective corrosion preparation the porous Fe based amorphous alloy. Nano porous Fe based amorphous structure stable preparation, large specific surface area, composition and morphology of adjustable, forming porous structure and amorphous matrix combination \porous / matrix / porous composite structure, has excellent catalytic activity for oxygen evolution, can be widely used in water electrolysis oxygen evolution electrode field. The preparation method of the invention is simple and has wide applicability.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米多孔Fe基非晶合金及制备方法和在析氧催化电极上的应用。具体地涉及以Fe基非晶/纳米晶合金为前驱体，根据非晶相与纳米晶相具有不同的耐蚀性，通过对纳米晶相进行选择性腐蚀制备纳米多孔Fe基非晶合金。并将此多孔非晶合金应用在电解水析氧催化电极上，以获得高的催化活性。
技术介绍
电解水制氢是制备清洁能源氢的重要方式，具有环境友好、原料丰富、产气纯净等优点。但是在电解水过程中，电极表面、尤其是阳极析氧电极表面会发生极化作用导致电极反应偏离平衡电极电位，从而引起过电位，造成能耗增大。因此，研究具有高析氧催化活性的阳极材料，解决析氧过电位过高的问题，对于提高电解水制氢的能量效率、降低制氢成本，进而促使化石燃料向清洁能源的大规模转变具有重要的科学意义。目前对析氧电极材料的研究主要集中于贵金属及其氧化物、过渡金属及其氧化物。其中，过渡金属Fe、Ni、Mn、Co金属及其氧化物在碱性介质中表现出较高的析氧催化活性，具有析氧过电位低、耐蚀性强、稳定性好、成本低廉等优点。纳米尺度的过渡金属具有高的化学活性及比表面积，从而具有优异的析氧催化活性。另外Fe-Ni，Fe-Co，Fe-Mo纳米合金材料也被广泛应用在磁性，吸波等领域。而将纳米颗粒制成非晶态会使其表面处于亚稳态，从而大大提高其催化活性、耐蚀性及磁性能。与传统的纳米颗粒催化剂相比，纳米多孔金属材料由处于纳米尺度的金属骨架及孔隙所组成，具有三维双连续多孔结构，可避免衬底的影响和纳米颗粒团聚造成的失活。近年来，纳米多孔金属材料以其高的比表面积、轻质、和节约原材料等特点在催化、过滤、表面等离子体共振、传感、热交换、药物输送等方面存在广阔的应用前景。然而，由于纳米多孔金属固有的物理、化学性质及该结构的不稳定性，一些物理、化学性质活泼的金属往往难以维持纳米多孔的独特结构，目前的研究主要集中于一些物理、化学性质比较稳定的金属，主要包括Ni、Cu、Ti，和一些贵金属(主要包括Au、Ag、Pd、Pt)。化学性质较为活泼的纳米多孔Fe基晶态及非晶态合金的制备极少涉及。铁基非晶/纳米晶合金具有纳米晶分散在非晶基体上的复合非晶/纳米晶结构，该系合金可原位或通过热处理在非晶基体上析出α-Fe纳米晶。该复合材料具有优异的软磁性能，在磁性功能材料上的广泛应用，自从其问世以来一直都受到人们的广泛关注。但是，将其作为制备纳米多孔非晶的前驱体材料却无人提及。通过对铁基非晶/纳米晶合金进行成分设计，根据析出晶相与非晶相耐蚀性的不同，使用电化学的方法选择性腐蚀掉析出晶相，可制备纳米多孔Fe基非晶合金，有望在析氧催化领域表现出优异的性能。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种纳米多孔Fe基非晶合金的制备方法。制备的纳米多孔Fe基非晶结构稳定，成分与形貌可调，与基体结合紧密，制备方法简单，适用性广泛。本专利技术技术解决方案：一种纳米多孔Fe基非晶合金，以Fe基非晶和纳米晶合金为前驱体，前驱体合金成分由以下公式表示：FeaNibCocMndNb6BeCuf，其中a+b+c+d+e+f＝94,49≤a≤84，0≤b≤30，0≤c≤30,0≤d≤5,9≤e≤12,0≤f≤1。以Fe基非晶/纳米晶合金为前驱体，析出相与非晶相成分及形貌可控，根据两相耐蚀性的不同，选择性腐蚀纳米晶相制备纳米多孔Fe基非晶合金。制备的纳米多孔Fe基非晶合金，多孔结构由Fe基非晶合金组成，含有多种化学性质活泼的过渡族元素，成分及结构可调。制备的纳米多孔Fe基非晶合金，系带成连续结构，尺寸小于50nm；孔洞分布均匀，尺寸小于200nm，有大的比表面积。制备的纳米多孔Fe基非晶合金，可形成多孔结构与非晶纳米晶基体结合紧密的“多孔/基体/多孔”新型复合结构，“/”为紧密连接。制备的纳米多孔Fe基非晶合金，处于亚稳态，有优异的析氧催化性能可广泛应用于电解水析氧电极领域。一种纳米多孔Fe基非晶合金的制备方法，以Fe基非晶和纳米晶合金为前驱体，前驱体合金成分由以下公式表示：FeaNibCocMndNb6BeCuf，其中a+b+c+d+e+f＝94,49≤a≤84，0≤b≤30，0≤c≤30,0≤d≤5,9≤e≤12,0≤f≤1；通过在0.3～0.5M H3PO4溶液中自由腐蚀20～60min，或是恒电位(0V)腐蚀5～20min，制备系带尺寸小于50nm，孔洞尺寸为100～200nm，厚度为100～300nm的纳米多孔Fe基非晶合金。结构稳定，与基体连接紧密，自持性好即多孔结构自然状态下不崩塌。一种纳米多孔Fe基非晶合金在析氧催化电极上的应用。本专利技术与现有技术相比优点在于：(1)本专利技术的前驱体Fe基非晶/纳米晶合金，析出相为α-Fe及其合金，耐蚀性较差且形貌可控，惰性元素Nb几乎全部分布在非晶相中，可保证前驱体中两相的耐蚀性差别；(2)本专利技术前驱体Fe基非晶/纳米晶合金成分范围广，在一定范围内可调，其元素组成为FeaNibCocModNb6BeCuf，其中a+b+c+d+e+f＝94,49≤a≤84，0≤b≤30，0≤c≤30,0≤d≤5,7≤e≤12,0≤f≤1；(3)本专利技术以Fe基非晶/纳米晶合金为前驱体，根据非晶相与纳米晶相耐蚀性的不同，选择性腐蚀纳米晶相制备纳米多孔Fe基非晶合金，是一种制备多孔非晶的新方法。(4)本专利技术的在H3PO4溶液中自由腐蚀30～60min，或是恒电位(0V)腐蚀5～20min，即可制备纳米多孔Fe基非晶合金，制备方法简单，重复性好。(5)本专利技术制备的纳米多孔Fe基非晶合金，多孔结构由Fe基非晶合金组成，含有多种化学性质活泼的过渡族元素，成分及结构可调。(6)本专利技术制备的纳米多孔Fe基非晶合金，系带成连续结构，尺寸小于50nm；孔洞分布均匀，尺寸小于200nm，有大的比表面积。(7)本专利技术制备的纳米多孔Fe基非晶合金，可形成多孔结构与非晶纳米晶基体结合紧密的“多孔/基体/多孔”新型复合结构。(8)本专利技术制备的纳米多孔Fe基非晶合金，结构稳定，没有发生系带随时间粗化的现象。(9)本专利技术制备的纳米多孔Fe基非晶合金，处于亚稳态，且可含有超过平衡固溶度的高析氧催化活性元素，有优异的析氧催化性能，能有效降低析氧过电位，是一种新型的析氧催化活性材料。附图说明图1为Fe82Nb6B12非晶/纳米晶合金薄带为前驱体制备纳米多孔Fe基非晶合金腐蚀前后表面微观组织形貌及多孔成分分析。图2为Fe84Nb6B9Cu1非晶/纳米晶合金薄带为前驱体制备的纳米多孔Fe基非晶合金的表面微观组织形貌。图3为Fe84Nb6B9Cu1非晶/纳米晶合金薄带为前驱体制备的纳米多孔Fe基非晶合金的微观组织侧视图，表明多孔结构与基体结合紧密，形成多孔/基体新型复合结构。图4为Fe54Ni30Nb6B9Cu1块体非晶合金为前驱体制备的纳米多孔Fe基非晶合金的表面微观组织。图5为Fe54Co30Nb6B9Cu1非晶合金薄带为前驱体制备的纳米多孔Fe基非晶合金的表面微观组织。图6为Fe54Ni20Co10Nb6B9Cu1非晶合金薄带为前驱体制备的纳米多孔Fe基非晶合金的表面微观组织。图7为Fe56Ni25Mo5Nb6B7Cu1非晶合金薄带为前驱体制备的纳米多孔Fe基非晶合金的表面微观组织。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米多孔Fe基非晶合金，其特征在于：以Fe基非晶和纳米晶合金为前驱体，前驱体合金成分由以下公式表示：FeaNibCocMndNb6BeCuf，其中a+b+c+d+e+f＝94,49≤a≤84，0≤b≤30，0≤c≤30,0≤d≤5,9≤e≤12,0≤f≤1。

【技术特征摘要】
1.一种纳米多孔Fe基非晶合金，其特征在于：以Fe基非晶和纳米晶合金为前驱体，前驱体合金成分由以下公式表示：FeaNibCocMndNb6BeCuf，其中a+b+c+d+e+f＝94,49≤a≤84，0≤b≤30，0≤c≤30,0≤d≤5,9≤e≤12,0≤f≤1。2.根据权利要求1所述的纳米多孔Fe基非晶合金，其特征在于：以Fe基非晶/纳米晶合金为前驱体，析出相与非晶相成分及形貌可控，根据两相耐蚀性的不同，选择性腐蚀纳米晶相制备纳米多孔Fe基非晶合金。3.根据权利要求1所述的纳米多孔Fe基非晶合金，其特征在于：制备的纳米多孔Fe基非晶合金，多孔结构由Fe基非晶合金组成，含有多种化学性质活泼的过渡族元素，成分及结构可调。4.根据权利要求1所述的纳米多孔Fe基非晶合金，其特征在于：制备的纳米多孔Fe基非晶合金，系带成连续结构，尺寸小于50nm；孔洞分布均匀，尺寸小于200nm，有大的比表面积。5.根据权利要求1所述的纳米多孔Fe基...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，靳宇，李然，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11