一种纳米高熵氧化物的制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种纳米高熵氧化物的制备方法与应用。所述高熵氧化物包含五种金属元素Fe、Co、Ni、Cr、Mn以及非金属元素O，其中金属元素Fe、Co、Ni、Cr、Mn以不同摩尔比组成，各金属原子占金属总原子百分比为5％～40％；所述纳米高熵氧化物具有尖晶石结构；其颗粒尺寸为2～10nm。本发明专利技术的制备方法利用不同材料的吸波性能，借助微波反应器快速性，可控性，均匀性的特点，通过微波辅助溶剂热法在高压非平衡反应条件下合成成分均一，比例可调的纳米高熵氧化物，为纳米高熵氧化物合成提供了一种新颖的制备方法。采用本发明专利技术方法制备出的纳米高熵氧化物具有超小的颗粒尺寸，多元素协同效应，大量的活性位点以及结构稳定性。的活性位点以及结构稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米高熵氧化物的制备方法与应用


[0001]本专利技术属于电催化剂合成
，具体涉及一种纳米高熵氧化物的制备方法与应用。

技术介绍

[0002]近年来，化石燃料的过度燃烧造成一系列环境污染问题，因此人类必须快速寻求和利用各种清洁和可持续的能源。氢气因碳含量为零，产物无污染且重量能量密度最高的优点而被认为是一种有前途的清洁能源载体。目前，工业制氢的主要方法为甲烷蒸气重整和煤气化(＞95％)，然而，甲烷蒸气重整和煤气化制氢方式不仅加剧了化石燃料的消耗，而且增加了全球二氧化碳的排放，并不是理想的制氢途径。为了加快“碳中和”“碳达标”的步伐，绿色环保、无污染的电解水制氢被认为是可再生能源转换的有希望的策略。然而，电化学水分解过程包括阴极氢析出反应(HER)和阳极氧析出反应(OER)两个核心的半反应，其中OER半反应涉及四电子转移过程，其缓慢的动力学使得能源消耗增加且转换效率较低。为了提高电化学水分解制氢效率，克服OER反应动力学缓慢的问题，大量的电催化剂被广泛研究。
[0003]高熵氧化物(HEO)是有五种及以上元素组成的单相“多组分”固溶体，具有许多有益于电催化的特性，例如固有的热力学稳定性、高晶格畸变、高结构稳定性和超离子电导率。与传统的金属氧化物相比，高熵氧化物因多种阳离子共同作用表现出优异的协同效应而表现出优异的电催化活性。另外，纳米颗粒具有大表面积不仅可以使催化剂表面暴露更多的活性位点，而且可以加快电子传导速度。然而，HEOs的金属元素组成复杂，容易引起相分离，因此迄今为止报道的HEOs催化剂很少。研究人员尝试了多种方法(火焰喷雾热解、雾化喷雾热解、共沉淀法、反共沉淀、溶剂热合成和固相烧结法)来制备HEO并探索OER催化性能。但是，大多数制备过程相对复杂或涉及较高的反应温度，导致HEO的粒径较大，不利于催化活性的发挥。因此迫切需要开发一种合成纳米高熵氧化物简洁、高效、低成本的方法。

技术实现思路

[0004]针对当前高熵氧化物合成技术存在的问题，本专利技术提供了一一种纳米高熵氧化物的制备方法与应用。本专利技术的纳米高熵氧化物具有超小的颗粒尺寸，多元素协同效应，大量的活性位点以及结构稳定性。本专利技术的制备方法利用不同材料的吸波性能，借助微波反应器快速性，可控性，均匀性的特点，通过微波辅助溶剂热法在高压非平衡反应条件下合成成分均一，比例可调的纳米高熵氧化物，为纳米高熵氧化物合成提供了一种新颖的制备方法。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种纳米高熵氧化物的制备方法，所述高熵氧化物包含五种金属元素Fe、Co、Ni、Cr、Mn以及非金属元素O，其中金属元素Fe、Co、Ni、Cr、Mn以等摩尔比或不同摩尔比组成，各金属原子占金属总原子百分比为5％～40％；
[0006]所述纳米高熵氧化物的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，配置金属盐溶液：
[0008]称取Fe、Co、Ni、Cr、Mn五种元素金属盐，将金属盐加入到多元醇中，在室温下搅拌1～10h，待金属盐完全溶解后，获得溶液A；
[0009]步骤2，微波溶剂热反应：
[0010]将溶液A加入到聚四氟乙烯反应釜中，在高压密闭环境中，利用微波加热反应，在反应过程中同时进行搅拌，反应结束后得到溶液B；
[0011]步骤3，离心洗涤：
[0012]向溶液B中加入洗涤溶剂进行多次离心洗涤，洗去未反应的金属盐及反应溶剂，得到固体C；
[0013]步骤4，烘干：
[0014]将得到的固体C置于恒温干燥箱中，烘干得到粉末D；
[0015]步骤5，煅烧：
[0016]将粉末D放置于马弗炉中煅烧，最终得到纳米高熵氧化物。
[0017]进一步地，所述纳米高熵氧化物为(Fe
a
Co
b
Ni
c
Cr
d
Mn
e
)3O4‑
x
，a、b、c、d、e取值分别为1/20～2/5，且a、b、c、d、e之和为1，该纳米高熵氧化物具有尖晶石结构；其颗粒尺寸为2～10nm。
[0018]进一步地，所述纳米高熵氧化物用于高效氧析出电催化剂。
[0019]进一步地，所述步骤1中，金属盐为金属硝酸盐；所述多元醇为二乙二醇；金属硝酸盐总量在二乙二醇中的浓度为0.05～0.3mol
·
L
‑1。
[0020]进一步地，所述步骤2中，加热温度为180
‑
240℃，升温速率为5
‑
30℃/min，保温时间为10
‑
60min，微波加热功率为800
‑
1500W，搅拌转速为50
‑
600r/min。
[0021]进一步地，所述步骤3中，离心洗涤溶剂为去离子水、无水乙醇中的一种或两种的混合溶液。
[0022]进一步地，所述步骤4中，烘干温度为40
‑
80℃，烘干时间4
‑
12小时。
[0023]进一步地，所述步骤5中，煅烧温度为200
‑
600℃，煅烧时间为2
‑
4小时。
[0024]本专利技术还提供一种上述纳米高熵氧化物或者上述制备方法制备的纳米高熵氧化物作为工作电极，在碱性条件(0.1M,0.5M,1M KOH)下催化氧气析出反应中的应用。
[0025]上述纳米高熵氧化物的应用，具体包括：
[0026](1)将纳米高熵氧化物与导电炭黑按质量比为3:1称取、研磨使其混合均匀后，加入分散剂，纳米高熵氧化物在分散剂中的浓度为5
‑
20mg
·
mL
‑1，再加入质量分数为5％的Nafion溶液，分散剂与5％的Nafion溶液的体积比为50:1；
[0027](2)超声30
‑
60分钟制成均匀分散的悬浊液，取10
‑
20μL悬浊液滴于碳纸电极上，其中纳米高熵氧化物负载量为0.55
‑
1.1mg
·
cm
‑2。
[0028]进一步地，步骤(1)中，所述分散剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)、无水乙醇、去离子水、异丙醇、丙酮中的一种或几种混合溶液；所述炭黑在使用前经硝酸在60～90℃下回流3～8小时。
[0029]进一步地，步骤(2)中，碳纸电极面积为0.18cm2。
[0030]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0031]1.本专利技术中的纳米高熵氧化物合成方法利用材料的吸波性能，通过微波辅助液相
化学非平衡反应策略，合成成分均一，元素比例可调的超小纳米颗粒，是一种简单，高效，低成本且通用的合成策略，为打破纳米高熵氧化物合成瓶颈提供了一种新思路。
[0032]2.本专利技术合成方法制备的纳米高熵氧化物具有尖晶石结构(Fe
a
Co
b
Ni本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米高熵氧化物的制备方法，其特征在于，所述高熵氧化物包含五种金属元素Fe、Co、Ni、Cr、Mn以及非金属元素O，其中金属元素Fe、Co、Ni、Cr、Mn以等摩尔比或不同摩尔比组成，各金属原子占金属总原子百分比为5％～40％；所述纳米高熵氧化物的制备方法，包括以下步骤：步骤1，配置金属盐溶液：称取Fe、Co、Ni、Cr、Mn五种元素金属盐，将金属盐加入到多元醇中，在室温下搅拌1～10h，待金属盐完全溶解后，获得溶液A；步骤2，微波溶剂热反应：将溶液A加入到聚四氟乙烯反应釜中，在高压密闭环境中，利用微波加热反应，在反应过程中同时进行搅拌，反应结束后得到溶液B；步骤3，离心洗涤：向溶液B中加入洗涤溶剂进行多次离心洗涤，洗去未反应的金属盐及反应溶剂，得到固体C；步骤4，烘干：将得到的固体C置于恒温干燥箱中，烘干得到粉末D；步骤5，煅烧：将粉末D放置于马弗炉中煅烧，最终得到纳米高熵氧化物。2.根据权利要求1所述的一种纳米高熵氧化物的制备方法，其特征在于，所述纳米高熵氧化物为(Fe
a
Co
b
Ni
c
Cr
d
Mn
e
)3O4‑
x
，a、b、c、d、e取值分别为1/20～2/5，且a、b、c、d、e之和为1，该纳米高熵氧化物具有尖晶石结构；其颗粒尺寸为2～10nm。3.根据权利要求1所述的一种纳米高熵氧化物的制备方法，其特征在于，所述纳米高熵氧化物用于高效氧析出电催化剂。4.根据权利要求1所述的一种纳米高熵氧化物的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，金属盐为金属硝酸盐；所述多元醇为二乙二醇；金属硝酸盐总量在二乙二醇中的浓度为0.05～0.3mol
·
L
‑1。5.根据权利要求1所述的一种纳米高熵氧化物的制备方法，其特征在于，所述步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志远，段婵琴，刘延国，郑润国，孙宏宇，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：