一种高熵合金水解制氢催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高熵合金水解制氢催化剂及其制备方法，属于电解水催化剂制备技术领域。本发明专利技术所述高熵合金水解制氢催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将V、Nb、Mo、Cu、Pt金属粉末混合研磨压片；(2)将压好的片在保护气氛下放入电弧熔炼炉熔炼，然后冷却得到高熵合金铸锭；(3)将高熵合金铸锭研磨后使用氢氟酸刻蚀，最后洗涤、烘干得到高熵合金水解制氢催化剂。本发明专利技术利用不同元素电极电势的差异，保持原有相结构前提下，使用氢氟酸选择性刻蚀合金表面元素得到表面活性面积大的海绵状高熵合金水解制氢催化剂。本发明专利技术所述高熵合金水解制氢催化剂在1.0M的KOH溶液中，电流密度为10mAcm

【技术实现步骤摘要】
一种高熵合金水解制氢催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于电解水催化剂制备
，具体涉及一种高熵合金水解制氢催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]为了加强清洁能源的开发，减少人类对传统化石能源的依赖，电催化分解水制氢技术由于低成本、无碳排放等优点受到了广泛的关注。然而，电解水制氢的效率取决于催化剂的性能，因此开发高效的电催化剂则是其中的技术关键。目前贵金属Pt仍是电解水制氢性能最好的电催化剂，但是Pt的地球储量稀少、价格昂贵，从而限制了其在大规模电解水技术上的应用；另外，金属纳米材料虽然被报道具有良好的催化制氢性能，但这些电催化剂的导电能力和稳定性不够好，也不能广泛使用；因此，开发一种低成本、高性能、稳定性好的金属催化剂对于大规模实现电解水技术的应用具有重要意义。
[0003]高熵合金(High entropy alloys，HEAs)是一类由五种及五种以上金属元素，且每种元素原子占比为5％
‑
35％构成的新型多组元合金，在结构上具有高构型熵和原子无序的特点，表现出优秀的热稳定性和力学性能，在电催化剂的设计和应用上备受青睐。首先，HEAs可以灵活调整组分的比例调控催化剂的电子结构、降低水分解动力学能垒，构建多活性催化位点；其次，多元金属组分的引入可以大幅度降低贵金属(Pt、Pd等)的含量。同时，晶格畸变效应产生的多尺度微结构可以进一步改善催化性能。然而，目前基于HEAs催化剂的制备主要集中在纳米材料的合成，这类纳米催化剂虽然催化活性优良，但合成技术复杂，尤其是单相的纳米HEAs的获得更是困难。HEAs块材的合成相对简单，稳定性良好，且能够很好控制相的形成，但微米级别的晶粒限制了催化活性，不能直接用作催化剂。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术的缺点，本专利技术提供一种高熵合金水解制氢催化剂及其制备方法。本专利技术通过酸刻蚀直接处理高熵合金粉末，构建海绵状多孔、多尺度、多活性位点的催化表面，获得高效稳定的高熵合金水解制氢催化剂。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种高熵合金水解制氢催化剂的制备方法包括以下步骤：
[0006](1)将V、Nb、Mo、Cu、Pt金属粉末混合均匀，研磨压片。
[0007](2)将步骤(1)压好的片放入电弧熔炼炉中，在保护气氛中进行熔炼，熔炼过程中翻转样品以确保样品均匀，然后冷却得到高熵合金铸锭。
[0008](3)将高熵合金铸锭研磨得到粉末，然后使用氢氟酸进行刻蚀，最后洗涤、烘干得到高熵合金水解制氢催化剂。
[0009]一方面，本专利技术采用电弧熔炼法合成稳定且成分均匀的VNbMoCuPt高熵合金铸锭，利用V、Nb、Mo、Cu、Pt金属相互协同提高材料整体的构型熵，依靠高熵驱动形成稳定的固溶体。另一方面，利用所述合金铸锭强脆性的特点研磨制粉，利用不同元素电极电势的差异，
用氢氟酸快速刻蚀所述合金，在保持原有相结构的前提下，选择性刻蚀合金表面电极电势较低的V和Nb活泼金属元素后得到多孔、类似海绵状的表面形态，增大了表面活性面积。且能充当HER活性位点的Mo、Pt电极电势相对较高不易被HF溶液蚀刻而增多，因而本专利技术经酸处理的高熵合金水解制氢催化剂在1.0M的KOH溶液，电流密度为10mA cm
‑2情况下电解水制氢的过电位仅为28mV，且表现出很好的稳定性。而且本专利技术所述高熵合金水解制氢催化剂合成方法简易便捷，催化性能突出，具有很好的应用潜力。
[0010]作为本专利技术的优选实施方式，所述V金属粉末、Nb金属粉末、Mo金属粉末、Cu金属粉末、Pt金属粉末的原子百分比为V金属：Nb金属：Mo金属：Cu金属：Pt金属＝5
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35at％：5
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35at％：5
‑
35at％：5
‑
20at％：5
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20at％；金属粉末的纯度不低于99％。
[0011]作为本专利技术的优选实施方式，所述熔炼的温度为1500
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2500℃，时间为10
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45min。
[0012]作为本专利技术的优选实施方式，所述氢氟酸的浓度为15
‑
40wt％，刻蚀时间为10
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60min。
[0013]作为本专利技术的优选实施方式，所述研磨时间为2小时以上。
[0014]作为本专利技术的优选实施方式，所述洗涤具体包括：使用水和无水乙醇交替超声洗涤。
[0015]作为本专利技术的优选实施方式，所述烘干温度为60℃，时间为6小时。
[0016]本专利技术还要求保护所述高熵合金水解制氢催化剂的制备方法制备的高熵合金水解制氢催化剂。
[0017]所述高熵合金水解制氢催化剂的表面为多孔海绵状结构。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0019](1)本专利技术所述高熵合金水解制氢催化剂大幅度减少了贵金属Pt的使用量。同时，酸刻蚀后的高熵合金水解制氢催化剂具有更大的表面积和更多的活性位点，大幅提升了电解水产氢性能，碱性条件、电流密度为10mA cm
‑2情况下，材料的过电位仅需28mV，小于商业Pt/C催化剂的过电位31mV，且电解水产氢稳定性良好。
[0020](2)所述高熵合金水解制氢催化剂的制备方法简单易操作，可批量合成，且合成的高熵合金水解制氢催化剂表现良好的电解水析氢活性，并且催化性能稳定。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1制备的HEA粉末和高熵合金水解制氢催化剂的XRD图，图中HEAprecursor为HEA粉末，HF
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HEA为高熵合金水解制氢催化剂。
[0022]图2为本专利技术实施例1制备的HEA粉末和高熵合金水解制氢催化剂的SEM图，图(a)为HEA粉末的SEM图，图(b)为高熵合金水解制氢催化剂的SEM图。
[0023]图3为本专利技术实施例1制备的HEA粉末和高熵合金水解制氢催化剂的EDS测试的表面原子百分比对比图，图中HEAprecursor为HEA粉末，HF
‑
HEA为高熵合金水解制氢催化剂。
[0024]图4为本专利技术实施例1制备的HEA粉末和高熵合金水解制氢催化剂的电解水产氢性能对比图，图中HEAprecursor为HEA粉末，HF
‑
HEA为高熵合金水解制氢催化剂，Pt/C为商业Pt/C催化剂，Ni foam为泡沫镍。
[0025]图5为本专利技术实施例1制备的高熵合金水解制氢催化剂的电解水产氢稳定性图，图中HF
‑
HEA为高熵合金水解制氢催化剂。
具体实施方式
[0026]为更好地说明本专利技术的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例和对比例对本专利技术作进一步说明。
[0027]实施例1
[0028]本实施例所述高熵合金水解制氢催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
[0029](1)将V、Nb、Mo、Cu、Pt金属粉末按照原子比本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高熵合金水解制氢催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将V、Nb、Mo、Cu、Pt金属粉末混合均匀，研磨压片；(2)将步骤(1)压好的片放入电弧熔炼炉中，在保护气氛中进行熔炼，熔炼过程中翻转样品以确保样品均匀，然后冷却得到高熵合金铸锭；(3)将高熵合金铸锭研磨得到粉末，然后使用氢氟酸进行刻蚀，最后洗涤、烘干得到高熵合金水解制氢催化剂。2.如权利要求1所述高熵合金水解制氢催化剂的制备方法，其特征在于，所述V金属粉末、Nb金属粉末、Mo金属粉末、Cu金属粉末、Pt金属粉末的原子百分比为V金属：Nb金属：Mo金属：Cu金属：Pt金属＝5
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35at％：5
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35at％：5
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35at％：5...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，陈石平，许骁，虞澜，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：