一种FeCoNiMo高熵合金粉末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FeCoNiMo高熵合金粉末析氧催化剂及其制备方法，以各原子摩尔百分含量计，该析氧催化剂的化学分子式为(Fe

【技术实现步骤摘要】
一种FeCoNiMo高熵合金粉末析氧催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于一种析氧催化剂及其制备方法，具体涉及一种可大批量生产的FeCoNiMo高熵合金粉末及其制备方法。

技术介绍

[0002]在各种工业制氢方法中，电解水因其技术成熟、工艺简单、生产过程绿色无污染、产生氢气纯度高等优点被认为是最有前景的方法之一。电解水体系包括阴极析氢反应（HER）和阳极析氧反应（OER）。然而，由于中间反应步骤多动力学缓慢，析氧反应严重限制了水分解效率和电池充放电效率。目前，贵金属氧化物如RuO2、InO2等仍然是电催化析氧反应最广泛应用的催化剂，但是贵金属氧化物高昂的价格和低的自然丰度严重限制了其更广泛应用。因此，设计和发展成本低廉、性能优越的析氧反应电催化剂是能源领域科学家的研究热点。
[0003]铁、钴、镍、钼等过渡族金属元素，由于具有不完全填充的d轨道而具有高催化活性，并且价格低廉，目前已被广泛应用于制备电解水析氧催化剂。另一方面，高熵合金具有高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应，作为析氧催化剂具有高催化活性、优异循环稳定性以及催化选择性等。高熵合金粉末本身表面活性位点数量较少，如何增加表面活性位点数量，进一步提升催化活性是一个重要问题。公开号为CN110280255A的中国专利申请公开了一种高熵合金电催化剂材料，该专利采用模板法制备FeCoNiCrCu纳米高熵合金析氧催化剂，它作为电解水析氧催化剂时，在0.1M的KOH溶液中，当电流密度为10 mA/cm2时，过电势为360
‑/>460 mV，析氧性能较差且制备方法复杂。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种具有高催化活性且可大批量生产的FeCoNiMo高熵合金粉末析氧催化剂；本专利技术的第二目的在于提供一种能耗低、析氧催化效率高且稳定性好的FeCoNiMo高熵合金粉末析氧催化剂的制备方法。
[0005]技术方案：本专利技术的一种FeCoNiMo高熵合金粉末析氧催化剂，以各原子摩尔百分含量计，该析氧催化剂的化学分子式为 (Fe
10
Co
10
Ni
30
)
100
‑
x
Mo
x
，其中x =1~15。
[0006]进一步的，该催化剂的粉末形貌为球形，平均粒径为30~35 μm。
[0007]本专利技术还保护所述的FeCoNiMo高熵合金粉末析氧催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）配料：按一定原子比称取铁块、钴块、镍块、钼块；（2）母合金熔炼：将步骤（1）配取的原料混合放入真空电弧熔炼炉中，在保护气氛下进行多次熔炼，得到成分均匀的FeCoNiMo合金锭；（3）气雾化制粉：将合金锭放入真空感应熔炼气雾化制粉设备的高频熔炼炉中使合金熔融，当合金液流入雾化腔室进行气雾化分散，冷却后得到合金粉末；（4）筛粉：将步骤（3）所得粉末进行分级筛分，获得FeCoNiMo合金粉末产品；
（5）粉末刻蚀：取步骤（4）的合金粉末进行硝酸刻蚀，刻蚀后进行反复洗涤、真空干燥便得到合高熵合金粉末析氧催化剂。
[0008]进一步的，所述步骤（3）中，气雾化制粉的条件为：保护气氛为氩气，腔室压力为0.1
‑
0.2 MPa，雾化压力为10 MPa，雾化气体为氩气。
[0009]进一步的，所述步骤（2）中，母合金熔炼中保护气氛为氩气，电流升至200
‑
250 A，保温15
‑
30 min后随炉冷却，重复熔炼4
‑
5次。
[0010]进一步的，7、根据权利要求3所述的FeCoNiMo高熵合金粉末析氧催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中，刻蚀选取的合金粉末粒径为25~40 μm。
[0011]进一步的，所述步骤（5）中，硝酸的浓度为1~2M，进一步的，所述步骤（5）中，合金粉末刻蚀所用时间为4~32h ，刻蚀温度为20~30℃。
[0012]进一步的，所述步骤（5）中，洗涤、真空干燥条件为：清洗介质为去离子水和无水乙醇，使用真空干燥箱干燥30~60 min，温度为60~70℃。
[0013]本专利技术所制备的催化剂，通过在体系中掺杂Mo元素，高价非3d过渡族金属元素Mo可以调节过渡族金属元素Fe、Co、Ni的电子结构，诱导生成更多氧化态的Fe、Co、Ni，降低其OER反应中间体的吸附能，加速OER动力学，因此Mo的微掺杂可以调节电子结构，并获得一定的抗腐蚀能力，从而使得催化剂兼具高稳定性，高活性以及优化的电子结构，而通过多种元素的掺入可以引起元素间的协同作用，从而改善催化剂的析氧性能。
[0014]本专利技术的制备原理是：先通过气雾化法批量制备过渡族高熵合金粉末，气雾化过程中，当合金液通过喷嘴时与高速Ar气流相遇被雾化为细小液滴，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成合金粉末，气雾化过程中需要保证腔室压力以及雾化压力，以保证合金液的雾化效果；相对于传统的球磨制粉，气雾化的方式对形貌可控，有利于下一步催化性能的研究；整体时间短效率高，可一次性快速大批量生产；且可以制得更小尺寸的细粉，表面积增大，活性位点变多，更有利于催化效果；然后再通过刻蚀的脱合金法对合金粉末材料进行表面处理，表面刻蚀可以使得合金粉末表面产生纳米结构，提高合金粉末的比表面积，从而获得更多的活性位点，以提高提升其析氧催化性能。本专利技术通过气雾化法结合脱合金法的方式，在保证成分均匀的同时还达到了提高其催化活性的协同效果。
[0015]有益效果：与现有技术相比，本专利技术的具有如下显著优点：（1）本专利技术通过Mo元素的微掺杂，利用高熵合金多元素间的协同作用，以及刻蚀工艺大幅度提升了FeCoNiMo高熵合金粉末的析氧催化性能，所得析氧催化剂的过电势显著降低；同时由于Mo元素耐腐蚀的独特性质，Mo元素微掺杂后，催化剂的结构稳定性和耐久性提升；（2）本专利技术的催化剂制备是通过气雾化方法制备化学成分均匀的球形高熵合金粉末，再经过后续刻蚀工艺得到，该方法制备工艺简单、制备成本低，适合大规模批量生产，可工业化应用；（3）本专利技术通过限定原料和控制气雾化法工艺，可以制备纯度高于99%、平均粒径约为30μm 的FeCoNiMo合金粉末，该制备方法成本低、效率高，粉末收得率高、粒径分布窄（20~50 μm）、成分均匀、杂质少，并且后续工艺处理流程简单，脱合金后的粉末满足工业生产上作为析氧催化剂的要求。
附图说明
[0016]图1为实施例制备的高熵合金粉末的X射线衍射（XRD）图谱；
图2为实施例1中未脱合金处理前、后的高熵合金粉末在1 M KOH电解液中的析氧反应线性扫描伏安曲线；图3为实施例2中未脱合金及脱合金不同时间的高熵合金粉末在1 M KOH电解液中的析氧反应线性扫描伏安曲线；图4为实施例3中未脱合金及脱合金不同时间的高熵合金粉末在1 M KOH电解液中的析氧反应线性扫描伏安曲线；图5为实施例4中未脱合金及脱合金不同时间的高熵合金粉末在1 M KO本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种FeCoNiMo高熵合金粉末析氧催化剂，其特征在于：以各原子摩尔百分含量计，该析氧催化剂的化学分子式为 (Fe
10
Co
10
Ni
30
)
100
‑
x
Mo
x
，其中x=1~15。2.根据权利要求1所述的一种FeCoNiMo高熵合金粉末析氧催化剂，其特征在于：该催化剂的粉末形貌为球形，平均粒径为30~35 μm。3.权利要求1
‑
2任一项所述的FeCoNiMo高熵合金粉末析氧催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）配料：按一定原子比称取铁块、钴块、镍块、钼块；（2）母合金熔炼：将步骤（1）配取的原料混合放入真空电弧熔炼炉中，在保护气氛下进行多次熔炼，得到成分均匀的FeCoNiMo合金锭；（3）气雾化制粉：将合金锭放入真空感应熔炼气雾化制粉设备的高频熔炼炉中使合金熔融，当合金液流入雾化腔室进行气雾化分散，冷却后得到合金粉末；（4）筛粉：将步骤（3）所得粉末进行分级筛分，获得FeCoNiMo合金粉末产品；（5）粉末刻蚀：取步骤（4）的合金粉末进行硝酸刻蚀，刻蚀后进行反复洗涤、真空干燥便得到合高熵合金粉末析氧催化剂。4.根据权利要求3所述的FeCoNiMo高熵合金粉末析氧催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，气雾化制粉的条件...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈宝龙，李永杰，王倩倩，周震界，李佳棋，邵根苗，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：