应用三维连通纳米多孔金属制备电解水阴极析氢电极的方法技术

本发明专利技术公开了一种三维连通纳米多孔金属的制备方法及其在电解水阴极催化材料上的应用。这种三维连通纳米多孔金属是以MgxMyNz非晶合金为前驱体，通过在呈弱酸性的铵盐溶液中去合金化的方法去除合金中Cu、Ni、Pd、Pt、Au和Ag以外的元素获得的。去合金化过程可在超声或无超声的环境下进行。该MgxMyNz非晶合金前驱体中，M为Cu、Ni、Pd、Pt、Au和Ag中的一种或一种以上，N为物理化学性质相近的镧系元素中的一种或一种以上。制备的三维连通纳米多孔金属有很高的比表面积，其比表面积达到63.8m

【技术实现步骤摘要】
一种三维连通纳米多孔金属的制备方法及其在电解水阴极催化材料上的应用
本专利技术涉及一种通过去合金化方法制备三维连通纳米多孔金属的方法及其在电解水阴极催化材料上的应用。
技术介绍
纳米多孔金属在传感器、催化、声学和能量存储等领域有着广泛的应用。而去合金化是一种制备纳米多孔金属的非常方便、有效的方法。它是通过选择性地腐蚀掉合金中的一个或多个组元，余下的组元自发形成纳米多孔结构。许多金属如铂、钯、金、银、铜和镍等金属都可以通过去合金化的方法制备。用于制备纳米多孔金属的前驱体合金的选取对于多孔结构有着重要影响。非晶合金的结构、成分均匀，无位错、晶界等结构缺陷，是去合金化法制备纳米多孔金属的理想前驱体材料。为了增加纳米多孔金属的比表面积，往往要求获得更精细的系带、孔径结构。而对于某些应用，如碱性电解水的阴极催化材料，要求前驱体组元能构在碱性溶液中稳定存在以实现一定的催化稳定性。因此，本专利技术一方面能够使得制备的纳米多孔金属拥有更大的比表面积，另一方面也能够使得制备的纳米多孔金属镍/铂可用于碱性电解水的阴极催化材料并具有一定的稳定性。
技术实现思路
本专利技术目的之一是提供一种通过去合金化方法制备三维连通纳米多孔金属的前驱体及对应的腐蚀溶液。前驱体为MgxMyNz非晶合金，其中M为Cu、Ni、Pd、Pt、Au和Ag中的一种或一种以上，N为物理化学性质相近的镧系元素中的一种或一种以上，所述MgxMyNz非晶合金中原子百分数x+y+z＝100，40≤x≤90，5≤y≤40，5≤z≤40。镧系元素是指La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu。腐蚀溶液为铵盐溶液，铵盐中的阴离子为强酸根离子，所述强酸根离子是指(NH4)2SO4，NH4Cl，NH4NO3，NH4F，NH4Br，NH4Cl，NH4I，NH4MnO4和NH4ClO4。本专利技术的目的之二是提供一种获得具有三维连通纳米多孔结构的粉末。三维连通纳米多孔粉末的获得是通过引入超声以加速应力腐蚀过程来实现。本专利技术目的之三是提供一种用于电解水阴极催化材料的具有高催化活性、稳定性的电极材料。制作步骤包括：将制备的三维连通纳米多孔金属与聚四氟乙烯和乙炔黑按照一定的比例进行混合、研磨，研磨至混合均匀，得到粘稠状浆体，混合过程中可以加入一定量的乙醇起到稀释的作用，取一定量的浆体，并将之均匀涂抹到泡沫镍上，得到载有活性物质的泡沫镍；将载有活性物质的泡沫镍放置在40℃以上温度烘箱中干燥5min以上时间后取出，放置在压片机上于1Mpa以上压力下进行压片；将压制后的泡沫镍放置于40℃以上温度烘箱中继续干燥1h以上，然后取出，得到三维连通纳米多孔金属电解水阴极析氢电极。前驱体合金具有非晶态结构，无晶界、位错等缺陷，为制备均匀的多孔结构打下基础。制备的三维连通纳米多孔金属的系带尺寸＜10nm，孔径＜10nm，比表面积可达63.8m2/g。附图说明图1为Mg59Ni25La16合金腐蚀前后的X射线衍射图谱，表明腐蚀前前驱体为非晶态结构，腐蚀后出现的晶体峰对应于面心立方镍。图2为以Mg59Ni25La16非晶合金为前驱体制备的三维连通纳米多孔镍颗粒的扫描照片。图3为以Mg65Ni25La16非晶合金为前驱体制备的三维连通纳米多孔镍颗粒表面的扫面照片，表现出三维连通纳米多孔结构。图4为用实施例1中制备的三维连通纳米多孔镍制作的析氢电极的极化曲线，表明了其具有优异的析氢催化活性。图5为以Mg70Pt20Ce10非晶合金为前驱体制备的三维连通纳米多孔铂颗粒表面的扫描照片。图6为以Mg55Ni23Pt2Er20非晶合金为前驱体制备的三维连通纳米多孔镍铂颗粒表面的扫描照片。图7为以Mg65Ag15La8Ce8非晶合金为前驱体制备的三维连通纳米多孔银颗粒表面的扫描照片。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术的一种三维连通纳米多孔金属是以MgxMyNz非晶合金为前驱体，通过在铵盐溶液中进行去合金化腐蚀掉Mg和N元素来制备。其中，M为Cu、Ni、Pd、Pt、Au和Ag中的一种或一种以上，N为物理化学性质相近的镧系元素(即La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu)中的一种或一种以上，x+y+z＝100，40≤x≤90，5≤y≤40，5≤z≤40。铵盐中阴离子为强酸根离子，如(NH4)2SO4，NH4Cl，NH4NO3，NH4F，NH4Br，NH4Cl，NH4I，NH4MnO4或者NH4ClO4。制备本专利技术的三维连通纳米多孔金属包含以下步骤:步骤一：配料按照MgxMyNz目标成分称取Mg、M、N各元素，各元素的质量百分比纯度不低于99.0％；步骤二：熔炼预合金将步骤一中称量好的M和N元素混合均匀，并在真空电弧熔炼炉中进行熔炼，得到M-N预合金锭；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≤5×10-2Pa；熔炼温度为1000～3000℃；熔炼时间：2～20min；步骤三：熔炼母合金将步骤一中称量好的Mg与步骤二中获得M-N预合金锭混合，在高频真空感应熔炼炉中熔炼；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≤5×10-2Pa；熔炼温度为600～2000℃；熔炼时间：5～15min；步骤四：制备条带将步骤三中得到的母合金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MgxMyNz条带；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≤5×10-1Pa；熔炼温度为500～1200℃；熔炼时间：20～180s；喷射压：0.01～0.1MPa；冷却速度：10～105K/s。步骤五：去合金化将步骤四所得的条带浸入铵盐溶液中，在超声状态下发生去合金化反应，从而制备三维连通纳米多孔金属；腐蚀条件：温度为10～100℃；铵盐浓度为0.2摩尔/升～2摩尔/升；超声功率为0～200瓦；腐蚀时间：5～120min。制备本专利技术的三维连通纳米多孔金属电解水阴极析氢电极包含以下步骤：步骤A：将三维连通纳米多孔金属、聚四氟乙烯和乙炔黑按照一定的比例进行混合、研磨，研磨至混合均匀，得到粘稠状浆体，混合过程中可以加入一定量的乙醇起到稀释的作用，取一定量的浆体，并将之均匀涂抹到泡沫镍上，得到载有活性物质的泡沫镍；步骤B：将步骤A中载有活性物质的泡沫镍放置在40℃以上温度烘箱中干燥5min以上时间后取出，放置在压片机上于1Mpa以上压力下进行压片；步骤C：将步骤B中压制后的泡沫镍放置于40℃以上温度烘箱中继续干燥1h以上，然后取出，得到三维连通纳米多孔金属电解水阴极析氢电极。实施例1以Mg59Ni25La16非晶合金为前驱体制备三维连通纳米多孔镍步骤一：配料按照Mg59Ni25La16目标成分称取Mg、Ni、La各元素，各元素的质量百分比纯度不低于99.0％；步骤二：熔炼预合金将步骤一中称量好的Ni和La元素混合均匀，并在真空电弧熔炼炉中进行熔炼，得到Ni-La预合金锭；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8×10-3Pa；熔炼温度为1800℃；熔炼时间：15min；步骤三：熔炼母合金将步骤一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维连通纳米多孔金属，其特征在于：三维连通纳米多孔金属以MgxMyNz非晶合金为前驱体，通过在铵盐溶液中进行去合金化腐蚀掉Mg和N元素，得到三维连通纳米多孔金属；所述M为Cu、Ni、Pd、Pt、Au和Ag中的一种或一种以上；所述N为物理化学性质相近的镧系元素中的一种或一种以上；所述镧系元素是指La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu；所述MgxMyNz非晶合金中原子百分数x+y+z＝100，40≤x≤90，5≤y≤40，5≤z≤40。

【技术特征摘要】
1.一种三维连通纳米多孔金属，其特征在于：三维连通纳米多孔金属以MgxMyNz非晶合金为前驱体，通过在铵盐溶液中进行去合金化腐蚀掉Mg和N元素，得到三维连通纳米多孔金属；所述M为Cu、Ni、Pd、Pt、Au和Ag中的一种或一种以上；所述N为物理化学性质相近的镧系元素中的一种或一种以上；所述镧系元素是指La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu；所述MgxMyNz非晶合金中原子百分数x+y+z＝100，40≤x≤90，5≤y≤40，5≤z≤40。2.根据权利要求1所述的三维连通纳米多孔金属，其特征在于：所述的MgxMyNz非晶合金前驱体具有非晶态结构，无晶界、位错等缺陷。3.根据权利要求1所述的三维连通纳米多孔金属，其特征在于：所述的铵盐中阴离子为强酸根离子，所述强酸根离子是指(NH4)2SO4，NH4Cl，NH4NO3，NH4F，NH4Br，NH4Cl，NH4I，NH4MnO4和NH4ClO4。4.根据权利要求1所述的三维连通纳米多孔金属，其特征在于：去合金化过程可在超声状态下进行，功率范围为0～200瓦，功率为0时表示在没有超声的状态下进行。5.根据权利要求1所述的三维连通纳米多孔金属，其特征在于：具有三维连通的孔结构，且比表面积到63.8m2/g。6.一种制备三维连通纳米多孔金属的方法，其特征在于包含以下步骤:步骤一：配料按照MgxMyNz目标成分称取Mg、M、N各元素，各元素的质量百分比纯度不低于99.0％；所述MgxMyNz非晶合金中原子百分数x+y+z＝100，40≤x≤90，5≤y≤40，5≤z≤40；所述M为Cu、Ni、Pd、Pt、Au和Ag中的一种或一种以上；所述N为物理化学性质相近的镧系元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu)中的一种或一种以上；步骤二：熔炼预合金将步骤一中称量好的M和N元素混合均匀，并在真空电弧熔炼炉中进行熔炼，得到M-N预合金锭；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≤5×10-2Pa；熔炼温度为1000～3000℃；熔炼时间：2～20min；步骤三：熔炼母合金将步骤一中称量好的Mg与步骤二...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，左磊，
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