一种高熵合金电解水催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高熵合金电解水催化剂及其制备方法，所述制备方法包括：金属盐溶液、氮源与碳材料经混合、干燥和热冲击后，得到高熵合金电解水催化剂；所述氮源中氮元素与碳材料的质量比为(1

【技术实现步骤摘要】
一种高熵合金电解水催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于催化剂制备
，涉及一种电解水催化剂及其制备方法，尤其涉及一种高熵合金电解水催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着全球经济的快速发展，资源消耗也不断增加，能源供应面临的资源约束和环境约束问题，促使人们积极寻求清洁、高效、可持续的替代能源；氢能因其具有高能量密度和零碳排放的优势，被认为未来能源的最佳选择之一。
[0003]电催化分解水是最有前景的绿色制氢方法之一，该过程包含阴极的析氢反应(HER)和阳极的析氧反应(OER)。目前，商业电催化制氢主要采用氯碱工业和水
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碱电解工艺，在碱性环境中，析氢反应和析氧反应涉及多个质子耦合和电子转移过程，反应动力学缓慢，限制了水分解的效率。CN113584504A公开了一种Ru/RuO2/MoO2复合材料及其制备方法和应用，将(NH4)2MoS4加入到RuO2胶体悬浮液中，超声处理后加入水合肼，搅拌均匀，将所得混合液在150
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240℃下保持4
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48h，离心、洗涤、干燥，得到RuO2/MoS2复合材料；将RuO2/MoS2复合材料充分研磨均匀，在N2气或惰性气氛下，200
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1000℃煅烧1
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12h，自然降温至室温后，得到Ru/RuO2/MoO2复合材料，所述复合材料作为析氢、析氧或全解水电催化剂的应用。该技术方案得到的Ru/RuO2/MoO2复合材料形貌均一，具有优异的电催化全解水性能。
[0004]贵金属催化剂如Pt、Ru、RuO2和IrO2等具有优异的催化活性，但这些催化剂在高电位下的碱性电解液中可能被氧化成PtO2、RuO4和IrO3等，使其逐渐溶解在电解液中，导致催化剂失活；且贵金属的含量稀缺性及价格昂贵，进一步限制了其大规模生产使用。因此研究者们为开发替代的催化剂做出了许多实质性的努力，其中一种策略是利用高熵合金催化剂来提高HER/OER的电催化活性。
[0005]高熵纳米材料通常含有五种或五种以上元素，具有混合均匀的固溶体结构的性质，不仅为新材料的探索提供了大量的组合空间，而且为其性能优化提供了独特的微观结构。在催化过程中，反应物或反应中间体与催化剂之间的结合能不能太强也不能太弱，才能使催化性能达到最优化；高熵合金由于多元素组合的协同效应，使其与反应中间体具有近连续分布的结合能，能够有效调控催化剂与反应中间体之间的相互作用，因而在电解水制氢领域展现非常大的应用前景。
[0006]CN113774422A公开了一种应用于电解水的PdCuFeCoNi高熵合金纳米颗粒催化剂的制备方法，包括以下步骤：将Pd、Cu、Fe、Co、Ni等五种还原性金属盐在油胺中进行混合加热，在安全、可控的温度下进行反应；将含表面活性剂的油胺与金属盐混合物混合，需超声分散，保证其混合均匀；表面活性剂对合金纳米颗粒进行保护和修饰，阻止高熵合金纳米颗粒团聚；将上述混合液进行加热搅拌，获得一种由5种金属组成的高分散粒径均一的高熵合金纳米颗粒；醇与烷烃的混合洗液清洗合金表面油胺及表面活性剂，高熵合金颗粒负载于载体上得到其电解水催化剂。
[0007]CN113151856A公开了一种高熵合金磷化物纳米粒子催化剂的制备及其在电解水
制氢中的应用，采用水热法的一种电解水制氢用高熵纳米催化剂的制备方法。其制备先取四种或四种以上金属源，与磷源共同置于油胺中，金属源与磷源的摩尔比为1:2，加入缓冲试剂，将混合物搅拌均匀；在惰性气氛下，将混合物升温至150℃搅拌反应，反应结束后冷却、洗涤、离心，用正己烷溶解，得到高熵合金磷化物纳米粒子溶液；将纳米粒子溶液通过超声碳负载的方式负载在活性炭上，煅烧，得到碳负载的高熵合金磷化物纳米粒子催化剂。
[0008]CN114888298A公开了一种二维高熵合金及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：(1)将多种金属盐溶于溶剂中，然后加入适量盐模板，充分搅拌均匀获得混合溶液；(2)将混合溶液置于加热板上，烘干溶剂，获得前驱体粉末；(3)将前驱体粉末放入陶瓷舟中，在还原气氛下进行高温煅烧；(4)将煅烧后的产物倒入去离子水中，浸泡至盐模板完全溶解，将溶液抽滤，得到黑色沉淀，将沉淀烘干后即得到二维高熵合金。该技术方案通过将盐模板剂与金属盐进行简单的混合和高温煅烧的方法获得一种尺寸较大的二维层状高熵合金；且所得高熵合金具有较大的比表面积大量的活性位点以及良好的结构稳定性，可作为电催化剂应用于电解水中。
[0009]现有技术中高熵合金电解水催化剂存在着流程繁琐、耗时长、催化活性较差、制备条件苛刻及难以放大的问题。对此，本专利技术提供一种高熵合金电解水催化剂及其制备方法，简化制备流程，降低工艺成本，提高催化活性和稳定性，有利于实现规模化生产。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种高熵合金电解水催化剂及其制备方法，简化制备流程，缩短制备周期，提高电解水催化活性和稳定性。
[0011]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0012]第一方面，本专利技术提供一种高熵合金电解水催化剂的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0013]金属盐溶液、氮源与碳材料经混合、干燥和热冲击后，得到高熵合金电解水催化剂；
[0014]所述氮源中氮元素与碳材料的质量比为(1
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5):20；
[0015]所述高熵合金电解水催化剂包括至少5种金属元素。
[0016]本专利技术中金属盐溶液的金属盐在碳材料的作用下还原成单质，然后利用热冲击的方法，使金属单质结合在一起形成合金，同时可以防止合金颗粒团聚，保持其结构均匀性，避免发生相偏析；碳材料也作为载体提高所得高熵合金电解水催化剂的导电性，通过添加氮源对碳材料进行氮元素掺杂改性，增强金属与载体的相互作用，并进一步提高催化活性和稳定性；所述制备方法工艺简单，时间短，有利于实现规模化生产。
[0017]本专利技术所述氮源中氮元素与碳材料的质量比为(1
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5):20，例如可以是1:20、2:20、3:20、4:20或5:20，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。所述氮源中氮元素与碳材料的质量比控制在(1
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5):20范围内，有利于将氮元素掺杂到载体中，提高金属与载体之间的相互作用，提高反应活性；当氮元素与碳材料的质量比低于1:20时，N元素起不到修饰金属合金以及碳材料的作用；当氮元素与碳材料的质量比高于5:20时，会腐蚀碳材料，降低催化剂与碳材料之间的相互作用。
[0018]优选地，所述氮源包括氯化铵和/或NH3。
[0019]优选地，所述金属盐溶液的摩尔浓度为1.8
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2.2mmol/L，例如可以是1.8mmol/L、1.9mmol/L、2mmol/L、2.1mmol/L或2.2mmol/L，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0020]优选地，所述金属盐溶液中金属本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高熵合金电解水催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：金属盐溶液、氮源与碳材料经混合、干燥和热冲击后，得到高熵合金电解水催化剂；所述氮源中氮元素与碳材料的质量比为(1
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5):20；所述高熵合金电解水催化剂包括至少5种金属元素。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮源包括氯化铵和/或NH3。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述金属盐溶液的摩尔浓度为1.8
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2.2mmol/L；优选地，所述金属盐溶液中金属盐包括铁盐、镍盐、钴盐、铬盐和锰盐；优选地，所述铁盐中铁元素相对于金属盐溶液中金属元素的摩尔分数为5
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40％；优选地，所述镍盐中镍元素相对于金属盐溶液中金属元素的摩尔分数为5
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40％；优选地，所述铁元素和镍元素相对于金属盐溶液中金属元素的摩尔分数之和为15
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65％；优选地，所述钴盐中钴元素相对于金属盐溶液中金属元素的摩尔分数为5
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40％；优选地，所述铬盐中铬元素相对于金属盐溶液中金属元素的摩尔分数为5
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40％；优选地，所述锰盐中锰元素相对于金属盐溶液中金属元素的摩尔分数为5
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40％。4.根据权利要求1
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3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热冲击的温度为700
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1100℃；优选地，所述热冲击的时间为5
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20s；优选地，所述热冲击的相对气压为
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0.05MPa至0.1MPa；优选地，所述热冲击在保护性气氛中进行；优选地，所述保护性气氛包括氮气和/或惰性气体；优选地，所述惰性气体包括氦气、氖气、氩气、氪气或氙气中的任意一种或至少两种的组合。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭立山，钱方仁，陈庆军，
申请(专利权)人：中国科学院江西稀土研究院，
类型：发明
国别省市：