(Fe制造技术

本发明专利技术公开了一种(Fe

【技术实现步骤摘要】
(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料及在阳极析氧电极上的应用
本专利技术涉及一种电解水制氢中的电极催化材料，更特别地说，是指一种(FeaCobNic)xMyRz系非晶合金或非晶与纳米晶复合材料的制备方法并将其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
水电解制氢是一种较为方便的制取氢气的方法。在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。在能源短缺的当今社会，氢能是人类公认的一种极具潜力的绿色能源，是能够解决资源短缺和环境污染的理想二次能源。现如今，氢气的制备主要来自化石燃料、水和生物。众多制氢方法中，电解水制氢被认为是未来最有可能大规模应用的制氢技术，具有制备工艺简单，自动化程度高，产品纯度较高，安全环保等显著优点。电解水是由电能提供动力，将水分解为氢和氧的化学过程。目前，实用和研究开发的电解水制氢方法有：碱性电解、固体高分子型水解、高温水蒸气电解等。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，是造成电解水能耗大、效率低的主要原因。传统的贵金属催化材料其高昂的价格限制了电解水的工业发展，因而非贵金属材料受到了越来越多的关注，过渡金属氧化物，氢氧化物，磷化物，硫化物等得到了广泛的研究，然而这些材料的催化活性依旧有待于提高。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现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种新型的析氧催化活性材料。本专利技术的目的之二是提出一种制备新型的析氧催化活性材料的方法。本专利技术的目的之三是提供一种应用于电解水制氢中的阳极。本专利技术的一种(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料，其(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料中的原子百分比用量为a+b+c＝1，0.5≤a≤0.94，0.01≤b≤0.9，0.5≤c≤0.94，50≤x≤95，5≤y≤35，0.5≤z≤15；其中M为B、Si、C、P中的一种或一种以上元素，R为Nb、Cr、Mn、Ru、Mo、Zr、Cu、Y、La中的一种或一种以上元素。(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化阳极电极材料在达到10mA·cm-2电流密度的情况下，过电位为220mV～360mV。在本专利技术中，制备一种(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料的方法，其特征在于包括有下列步骤：步骤一：按目标成分配料；按照(FeaCobNic)xMyRz目标成分称取Fe、Co、Ni、M、R各元素，其中M为B、C、P元素时，可使用FeM合金替代，各元素的质量百分比纯度不低于99.0％；步骤二：熔炼母合金；将步骤一中称量好的Fe、Co、Ni、M、R各元素混合均匀，并在真空电弧熔炼炉中进行熔炼，得到(FeaCobNic)xMyRz目标合金锭；熔炼参数：熔炼保护气氛为质量百分比为99.999％的氩气；真空度为1×10-4～8×10-3Pa；熔炼电流为30～200A；熔炼时间：每遍熔炼1～20min，熔炼1～10遍；步骤三：熔体旋淬法制备目标合金条带；将步骤二中得到的母合金机械破碎成小块后预置于石英管中，并整体放入快速凝固装置的真空感应熔炼炉中，将其完全融化后喷射到高速旋转的铜轮上，从而制备得到厚度为0.05～500μm的(FeaCobNic)xMyRz合金薄带；参数设置：熔炼保护气氛为质量百分比为99.0％的氩气；真空度为：6×10-2～2×10-1Pa；线圈感应电流为2～20A；熔炼时间：10～180s；喷射压：0.01～0.1MPa；铜轮转动速度：1000～4000m/s。能够制得厚度为0.05～500μm的合金薄带。在本专利技术中，制备(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料的阳极析氧电极的方法，其特征在于：先使用导电胶将铜导线与(FeaCobNic)xMyRz合金条带固定连接，将非测试部分用不导电树脂密封，暴露出(FeaCobNic)xMyRz合金条带的自由面，得到(FeaCobNic)xMyRz析氧催化阳极电极；然后将(FeaCobNic)xMyRz析氧催化阳极电极进行碱液与含氧环境的3～10次循环处理，得到直接可用的阳极析氧电极。制得的阳极电极应用于电解水中。所述碱液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锂、一水合氨、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种或多种，浓度为0.1～3mol/L；所述表面处理中在碱液中浸泡的温度为280～310K；所述表面处理中在碱液中浸泡的时间为2min～24h；所述表面处理中在含氧环境下放置的温度为280～310K；所述表面处理中在含氧环境下放置的含氧量为21～40％；所述表面处理中在含氧环境下放置的时间为2～24h。在本专利技术中制备得到的(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料的阳极析氧电极，在达到10mA·cm-2电流密度的情况下，过电位为220mV～360mV。本专利技术与现有技术相比优点在于：①本专利技术制备的(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料的成分范围广，在一定范围内可调，其元素组成为：(FeaCobNic)xMyRz，其中M为B、Si、C、P中的一种或一种以上，R为Nb、Cr、Mn、Ru、Mo、Zr、Cu、Y、La中的一种或一种以上的组合，原子百分比用量为a+b+c＝1，0.5≤a≤0.94，0.01≤b≤0.9，0.5≤c≤0.94，50≤x≤95，5≤y≤35，0.5≤z≤15。②本专利技术制备的(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料为连续、韧性和表面质量优良的厚度为0.05～500μm的合金薄带。③本专利技术制备的(FeaCobNic)xMyRz系析氧材料是非晶合金或非晶与纳米晶复合材料，其中纳米晶的存在能够增加材料作为阳极时与电解液间的接触面积进而暴露更多的催化活性位点，提升电解水析氢效率。④本专利技术制备的(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料，由于经过了表面处理，其析氧过电位有了显著的降低，催化活性得到提升。⑤本专利技术制备的(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料是非晶合金或非晶与纳米晶复合材料，属于一种新型的析氧催化活性材料，应用于电解水析氧电极中能有效降低析氧过电位，表现出优异的催化活性，显著提高电解水制氢的能量效率。⑥经本专利技术方法制备得到的(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料的合金条带，能够直接作为电极应用到电解水中，进而缩短工艺流程，为大规模生产提供便利条件。⑦本专利技术采用的制备方法简单，可操作性强，普适性强，适用于大规模生产，在许多工业催化或其它科学领域具有巨大的应用价值。附图说明图1是经本专利技术方法制得的(FeaCobNic)xMyRz析氧电极的X射线衍射图谱。图2是实施例1制得Fe40Co8Ni40B10Ru2析氧催化电极进行电化学测试得到的极化曲线。图3是实施例1制得Fe40Co8Ni40B10Ru2析氧催化电极进行电化学测试得到恒电流测试曲线。图4是为实例2中Fe35Co12Ni35Si14Nb4析氧电极进行电化学测试得到恒电流测试曲线。图5是实例3中Fe32Co14Ni32Si8P8Nb4Mo2析氧电极进行电化学本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料，其特征在于：(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料中的原子百分比用量为a+b+c＝1，0.5≤a≤0.94，0.01≤b≤0.9，0.5≤c≤0.94，50≤x≤95，5≤y≤35，0.5≤z≤15；其中M为B、Si、C、P中的一种或一种以上元素，R为Nb、Cr、Mn、Ru、Mo、Zr、Cu、Y、La中的一种或一种以上元素。

【技术特征摘要】
1.一种(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料，其特征在于：(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料中的原子百分比用量为a+b+c＝1，0.5≤a≤0.94，0.01≤b≤0.9，0.5≤c≤0.94，50≤x≤95，5≤y≤35，0.5≤z≤15；其中M为B、Si、C、P中的一种或一种以上元素，R为Nb、Cr、Mn、Ru、Mo、Zr、Cu、Y、La中的一种或一种以上元素。2.根据权利要求1所述的(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料，其特征在于优选非晶结构材料成分有：Fe40Co8Ni40B10Ru2、Fe35Co12Ni35Si14Nb4或者Fe32Co14Ni32Si8P8Nb4Mo2、。3.根据权利要求1所述的(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料，其特征在于优选非晶与纳米晶复合结构材料成分有：Fe27Co18Ni27B9Si9Cr5Ru4La1、Fe25Co21Ni25Si7C7P5Nb5Cu3Y2或者Fe24Co15Ni24B9Si9C5P5Nb3Cr3Ru2La1。4.根据权利要求1或2或3所述的(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料，其特征在于：在达到10mA·cm-2电流密度的情况下，过电位为220mV～360mV。5.制备权利要求1所述的(FeaCobNic)xMyRz系析氧催化材料的方法，其特征在于包括有下列步骤：步骤一：按目标成分配料；按照(FeaCobNic)xMyRz目标成分称取Fe、Co、Ni、M、R各元素，其中M为B、C、P元素时，可使用FeM合金替代，各元素的质量百分比纯度不低于99.0％；步骤二：熔炼母合金；将步骤一中称量好的Fe、Co、Ni、M、R各元素混合均匀，并在真空电弧熔炼炉中进行熔炼，得到(FeaCobNic)xMyRz目标合金锭；熔炼参数：熔炼保护气氛为质量百分比为99.999％的氩气；真空度为1×10-4～8×10-3Pa；熔炼电流为30～200A；熔炼时间：每遍熔炼1～20min，熔炼1～10遍；步骤三：熔体旋淬法制备目标合金条带；将步骤二中得到的母合金机械破碎...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，贺盼，
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