一种石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及电解水技术领域，提供了一种石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂及其制备方法和应用。本发明专利技术采用过渡金属盐为高熵氧化物前驱体，采用介孔碳作为还原性载体，首先通过混合将金属离子分散至介孔碳的内部，然后利用焦耳加热在超短时间内升温至高温的特性，对金属离子进行还原、熔化成型，并快速冷却，制备出石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂。本发明专利技术提供的制备方法简单快速，效率高，且制备的石墨烯包覆的高熵氧化物纳米粒子催化剂在电解水析氧、析氢以及全解水反应中都表现出优异的电催化性能。的电催化性能。的电催化性能。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电解水
，尤其涉及一种石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]电解水产氢是当前可循环性能源发展的战略方向，其中制约其实现大规模工业化制氢的关键在于电解水中析氢和析氧电极反应动力学缓慢。因此，制备具有高活性和高稳定的电极催化材料是解决电解水制氢技术规模化应用的关键。高熵类电催化剂因具有高熵稳定性、电阻率低、结构稳定和耐腐蚀等特性，表现出优异的电催化性能，获得了广泛的研究。高熵类电催化剂具有多元组分，利用五种或五种以上金属组合制备电催化剂，具有更多的调控参数和调控空间。
[0003]高熵电催化剂作为当前研究的热点之一，在电催化反应中展示出高稳定性、高电流密度和高活性等优点。高熵类电催化剂的制备方法呈现出多样性，目前主要通过机械球磨、激光增材制造和磁控溅射等方法制备。机械球磨法是指将多种类的金属粉末在球磨状态下进行物理变形、冷焊和破碎等过程，最终使金属元素实现原子级的混合并合金化。激光增材制造法是指将多种类的金属粉末作为原料，通过计算系统按照设置的程序通过高能量的激光数将粉末进行熔化堆积成型。磁控溅射法是指将衬底和溅射靶材分别放置在正负极，在正负极之间施加高电压产生等离子体，对靶材进行轰击，使靶材原子脱离并沉积到衬底表面，制备出具有高熵结构的材料。然而，这些方法的不足之处在于，操作复杂，且不同的金属熔点差异大，很难形成高比表面积的纳米粒子，不利于催化反应的进行。

技术实现思路
/>[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂及其制备方法和应用。本专利技术提供的石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂比表面积大、分散度高，催化活性高，稳定性好，且制备方法简单快速。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]一种石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0007]将介孔碳和混合金属盐溶液混合后干燥，得到金属盐和介孔碳的混合物；所述混合金属盐溶液中的金属元素包括Fe、Co、Ni、Cr、V、Ti、Cu、Mn中的至少五种，且各个金属元素的摩尔量相等；
[0008]将所述金属盐和介孔碳的混合物摊铺于碳布表面，对碳布进行焦耳加热使金属盐和介孔碳发生反应，得到石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂。
[0009]优选的，所述焦耳加热的方法包括：将碳布两端连接电源的正负极，通电进行焦耳加热；所述通电所用电流的强度为10～35A。
[0010]优选的，所述焦耳加热在含氧气氛中进行；所述焦耳加热后碳布表面的温度为
1000～2000℃；所述反应的时间≤2s。
[0011]优选的，所述金属盐和介孔碳的混合物在碳布表面的摊铺量为10～500mg/cm2。
[0012]优选的，所述混合金属盐溶液中金属离子的总浓度为0.01～0.1mol/L；所述介孔碳和混合金属盐溶液的用量比为5～25mg:1mL。
[0013]优选的，所述介孔碳在使用前进行预处理；所述预处理的方法包括：将介孔碳和硝酸混合进行热处理，将热处理后的介孔碳依次进行洗涤和干燥。
[0014]本专利技术还提供了上述方案所述制备方法制备得到的石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂，包括高熵氧化物纳米粒子和包覆在所述高熵氧化物纳米粒子表面的石墨烯层；所述高熵氧化物中的金属元素包括Fe、Co、Ni、Cr、V、Ti、Cu、Mn中的至少五种。
[0015]优选的，所述高熵氧化物中的金属元素为Fe、Co、Ni、Cr和V，或为Fe、Co、Ni、Cr和Mn。
[0016]本专利技术还提供了上述方案所述的石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂在催化电解水反应中的应用。
[0017]优选的，所述电解水反应为电解水析氧反应、电解水析氢反应或全解水反应。
[0018]本专利技术提供了一种石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂的制备方法，包括以下步骤：将介孔碳和混合金属盐溶液依次进行混合和干燥，得到金属盐和介孔碳的混合物；所述混合金属盐溶液中的金属元素包括Fe、Co、Ni、Cr、V、Ti、Cu、Mn中的至少五种，且各种金属元素的摩尔量相等；将所述金属盐和介孔碳的混合物摊铺于碳布表面，对碳布进行焦耳加热使金属盐和介孔碳发生反应，得到石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂。本专利技术采用过渡金属盐为高熵氧化物前驱体，采用介孔碳作为还原性载体，首先通过混合和干燥将金属离子分散至介孔碳的内部，然后利用焦耳加热在超短时间内升温至高温的特性，通过电流经过碳布时产生瞬间的高温对金属离子进行还原、熔化成型，并快速冷却，制备出均相稳定的高熵氧化物纳米粒子，同时介孔碳载体在高温还原金属离子的过程形成石墨烯层包覆在高熵氧化物纳米粒子表面。本专利技术提供的方法操作方便，制备时间短，焦耳加热在瞬时即能完成，反应的时间不超过2秒，和现有技术相比时间成本大幅降低。
[0019]本专利技术制备得到的石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂具有单一晶相结构，导电性好，有利于提升催化反应过程中的电荷转移效率，降低反应所需要的过电势；并且，本专利技术制备的催化剂中，高熵氧化物纳米粒子分散度高，比表面积大，有利于电催化反应的发生；石墨烯作为导电衬底并在高熵氧化物纳米粒子表面形成包覆结构，可以抑制电解液对高熵氧化物的腐蚀，有利于电催化反应的进行并能提高催化剂的稳定性，延长其使用寿命。本专利技术制备的石墨烯包覆的高熵氧化物纳米粒子催化剂在电解水析氧、析氢以及全解水反应中都表现出优异的电催化性能。实施例结果表明，采用本专利技术制备的石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂催化析氧和析氢反应，电流密度为10mA cm
‑2时，比传统方法制备的催化剂的过电势分别降低137mV和228mV；采用本专利技术制备的石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂全解水反应，电流密度为100mA cm
‑2时，电解水电压为1.7～1.8V。
附图说明
[0020]图1为实施例1制备的G@(FeCoNiCrV)O
x
催化剂的透射电镜图；
[0021]图2为实施例1制备的G@(FeCoNiCrV)O
x
催化剂的X射线衍射谱；
[0022]图3为实施例2制备的G@(FeCoNiCrV)O
x
催化剂的析氧(a)和析氢(b)性能测试结果。
具体实施方式
[0023]本专利技术提供了一种石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0024]将介孔碳和混合金属盐溶液混合后干燥，得到金属盐和介孔碳的混合物；所述混合金属盐溶液中的金属元素包括Fe、Co、Ni、Cr、V、Ti、Cu、Mn中的至少五种，且各种金属元素的摩尔量相等；
[0025]将所述金属盐和介孔碳的混合物摊铺于碳布表面，对碳布进行焦耳加热使金属盐和介孔碳发生反应，得到石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂。
[0026]本专利技术将介孔碳和混合金属盐溶液混合后干本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将介孔碳和混合金属盐溶液混合后干燥，得到金属盐和介孔碳的混合物；所述混合金属盐溶液中的金属元素包括Fe、Co、Ni、Cr、V、Ti、Cu、Mn中的至少五种，且各个金属元素的摩尔量相等；将所述金属盐和介孔碳的混合物摊铺于碳布表面，对碳布进行焦耳加热使金属盐和介孔碳发生反应，得到石墨烯包覆高熵氧化物纳米粒子催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述焦耳加热的方法包括：将碳布两端连接电源的正负极，通电进行焦耳加热；所述通电所用电流的强度为10～35A。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述焦耳加热在含氧气氛中进行；所述焦耳加热后碳布表面的温度为1000～2000℃；所述反应的时间≤2s。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述金属盐和介孔碳的混合物在碳布表面的摊铺量为10～500mg/cm2。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚运喜，冯博民，陈均，杨轶飞，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：