非晶合金材料、三维纳米多孔材料及其制备方法和应用技术

本申请提供一种非晶合金材料、三维纳米多孔材料及其制备方法和应用，涉及电催化材料技术领域。非晶合金材料的原子百分比表达通式为M

【技术实现步骤摘要】
非晶合金材料、三维纳米多孔材料及其制备方法和应用


[0001]本申请涉及电催化材料
，具体而言，涉及一种非晶合金材料、三维纳米多孔材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着化石燃料的迅速枯竭和环境污染的日益严重，迫切需要开发清洁的可再生能源(如风能、太阳能、氢能等)。可再生能源在自然界可以循环再生，是应对化石燃料迅速枯竭的最有效办法。其中氢气(H2)因其来源丰富、能量密度高、零排放(燃烧产物是水)和可储存，是替代化石燃料最可行的方法。
[0003]电解水是在建立清洁和可再生能源循环中提供氢气的最可行方法之一，约占全球氢气产量的4％。通常，电解水由两个半反应组成：产生氢气的阴极析氢反应(HER)和产生氧气的阳极析氧反应(OER)。理论上，虽然电解水只需要1.23V来驱动整个水分解反应，但需要更大的电压来克服两个半反应的活化障碍，特别是对于缓慢的阳极析氧反应(OER)。因此，电解水过程中需要使用催化剂，以降低产生氢气所需要的超电势，加速氢气的生产效率。
[0004]铂族金属等贵金属催化剂可以用于加快电解水，但是其电力消耗大且成本高，极大程度限制了贵金属催化剂的工业应用。目前，行业中常使用非贵金属过渡金属基的非晶合金催化剂以进行电解水，其具有优异的催化活性且成本低。但是，非贵金属过渡金属基的非晶合金催化剂的催化能力无法满足行业的不断发展对电解水反应的催化性能要求。

技术实现思路

[0005]本申请的目的在于提供一种非晶合金材料、三维纳米多孔材料及其制备方法和应用，其旨在提高现有的非贵金属过渡金属基的非晶合金催化剂的电解水反应的催化能力。
[0006]第一方面，本申请提供一种非晶合金材料，非晶合金材料的原子百分比表达通式为M
x
N
y
，其中，M选自Fe、Co、Ni、Cu以及Zn中的至少一种，N选自P、B、Si、Ge、As、Sb、Te以及Po中的至少一种，70≤x≤90，10≤y≤30，且x+y＝100；非晶合金材料为圆柱状，非晶合金材料的直径为5
‑
60μm。
[0007]本申请通过对原子组成以及配比进行调控，可以形成具有原子无序结构以及亚稳态的热力学特征的非晶合金材料，与非晶合金材料呈圆柱状且直径为5
‑
60μm的特征进行配合，使得非晶合金材料具有良好的电解水反应的催化能力。相比于原子组成以及配比相同的棱柱状非晶合金材料，本申请的圆柱状的非晶合金材料电解水反应的催化能力更高，有效提高电解水的阴极和阳极反应的速率，降低电解水时阴极和阳极的反应电压，大大减少了电解水所需要的电力消耗，可用于工业化成产。
[0008]结合第一方面，本申请可选的实施方式中，沿非晶合金材料的径向，非晶合金材料的表面至非晶合金材料的轴线处的弹性模量呈逐渐升高的分布状态。
[0009]上述情况下，非晶合金材料呈现出高能量状态，可显著提高非晶合金材料的电解水反应的催化能力。
[0010]可选地，沿非晶合金材料的径向，非晶合金材料的表面与非晶合金材料的轴线处的弹性模量的差值为8
‑
15GPa。
[0011]上述情况下，非晶合金材料具有较佳的电解水反应的催化能力。
[0012]结合第一方面，本申请可选的实施方式中，非晶合金材料的原子百分比表达通式为Fe
a
Ni
b
P
c
，其中，20≤a≤50，20≤y≤50，10≤a≤30，且a+b+c＝100。
[0013]上述情况下，非晶合金材料由Fe、Ni以及P原子组成，Fe、Ni以及P原子之间相互协同并与非晶合金材料呈圆柱状且直径为5
‑
60μm的特征进行配合，有利于进一步提高非晶合金材料的电解水反应的催化能力。
[0014]结合第一方面，本申请可选的实施方式中，非晶合金材料的原子百分比表达式为Ni
40
Fe
40
P
20
。
[0015]非晶合金材料的原子百分比表达式为Ni
40
Fe
40
P
20
并与非晶合金材料呈圆柱状且直径为5
‑
60μm的特征进行时，使得电解水产生氢气所需要的超电势更低，电解水反应的催化能力较佳。
[0016]第二方面，本申请提供一种三维纳米多孔材料的制备方法，包括：将如上述第一方面提供的非晶合金材料进行脱合金处理；脱合金处理是指：部分脱出非晶合金材料中的N组分。
[0017]本申请通过脱合金技术将本申请第一方面提供的呈圆柱状且直径为5
‑
60μm的非晶合金材料制备三维纳米多孔材料，相比于采用原子组成以及配比相同的棱柱状非晶合金材料进行脱合金处理，非晶合金材料呈圆柱状且直径为5
‑
60μm，可以使得脱合金(即部分脱出非晶合金材料中的N组分)后形成的三维纳米多孔材料的表面和内部均具有多孔结构(而棱柱状的非晶合金材料脱合金后仅表面具有多孔结构而内部不具有多孔结构)，比表面积大，可显著增加具有催化活性的位点，进而能够显著提高电解水的阴极和阳极反应的速率，显著降低电解水时阴极和阳极的反应电压，大大减少了电解水所需要的电力消耗，可用于工业化成产。
[0018]结合第二方面，本申请可选的实施方式中，脱合金处理在0.5
‑
5M强酸溶液中进行。
[0019]上述条件下，可以实现部分脱出非晶合金材料中N组分，使得三维纳米多孔材料的表面和内部均具有明显的多孔结构，有利于进一步提高对电解水反应的催化能力。
[0020]可选地，强酸为硫酸或盐酸。
[0021]结合第二方面，本申请可选的实施方式中，脱合金处理的步骤包括：在强酸溶液中测量非晶合金材料的腐蚀电压U1，然后再在强酸溶液中进行脱合金操作；其中，脱合金操作的电压为U1
±
0.2V，脱合金的时间为500
‑
2000s。
[0022]上述条件下，可以快速且充分脱出非晶合金材料中的N组分，使得三维纳米多孔材料的表面和内部均具有明显的多孔结构，有利于进一步提高对电解水反应的催化能力。
[0023]第三方面，本申请提供一种三维纳米多孔材料，三维纳米多孔材料采用如上述第二方面提供的三维纳米多孔材料的制备方法制得。
[0024]采用本申请第二方面提供的制备方法由于是采用呈圆柱状且直径为5
‑
60μm的非晶合金材料进行脱合金处理，可以使得制备得到的三维纳米多孔材料的表面和内部均具有多孔结构，比表面积大，可显著增加具有催化活性的位点，能够显著提高电解水的阴极和阳极反应的速率，显著降低电解水时阴极和阳极的反应电压以及全水解电位，大大减少了电
解水所需要的电力消耗，可用于工业化成产。
[0025]结合第三方面，本申请可选的实施方式中，三维纳米多孔材料满足如下条件中的至少一个：三维纳米多孔材料在10mA/cm2电流密度下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非晶合金材料，其特征在于，所述非晶合金材料的原子百分比表达通式为M
x
N
y
，其中，M选自Fe、Co、Ni、Cu以及Zn中的至少一种，N选自P、B、Si、Ge、As、Sb、Te以及Po中的至少一种，70≤x≤90，10≤y≤30，且x+y＝100；所述非晶合金材料为圆柱状，所述非晶合金材料的直径为5
‑
60μm。2.根据权利要求1所述的非晶合金材料，其特征在于，沿所述非晶合金材料的径向，所述非晶合金材料的表面至所述非晶合金材料的轴线处的弹性模量呈逐渐升高的分布状态；可选地，沿所述非晶合金材料的径向，所述非晶合金材料的表面与所述非晶合金材料的轴线处的弹性模量的差值为8
‑
15GPa。3.根据权利要求1所述的非晶合金材料，其特征在于，所述非晶合金材料的原子百分比表达通式为Fe
a
Ni
b
P
c
，其中，20≤a≤50，20≤y≤50，10≤a≤30，且a+b+c＝100。4.根据权利要求3所述的非晶合金材料，其特征在于，所述非晶合金材料的原子百分比表达式为Ni
40
Fe
40
P
20
。5.一种三维纳米多孔材料的制备方法，其特征在于，包括：将如权利要求1
‑
4中任一项所述的非晶合金材料进行脱合金处理；所述脱合金处理是指：部分脱出所述非晶合金材料中的所述N组分。6.根据权利要求5所述的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙保安，解玖远，裴超群，李皓鑫，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：