本发明专利技术涉及一种贵金属活性位点富集的纳米多孔非晶合金电极材料及其电解水催化应用。该材料是以M
【技术实现步骤摘要】
一种贵金属活性位点富集的纳米多孔非晶合金电极材料及其电解水催化应用
[0001]本专利技术属于清洁可持续能源制备应用领域，特别涉及一种用于高效电解水制氢的贵金属活性位点富集的纳米多孔非晶合金电极材料。
技术介绍
[0002]氢能的开发和利用可以缓解当今国际社会所面临的能源危机和环境污染的问题。与其他技术相比，电解水由于水资源丰富、无温室气体排放、产氢纯度高等优点是最有前途的制氢方式。析氢反应(HER，hydrogen evolution reaction)是电解水的关键反应之一，但由于电解水析氢反应需要较大的过电位，意味着需要更大的电能消耗，要解决这一难题就需要制备出优异的催化剂来提高催化性能。
[0003]而目前的催化剂还面临着以下挑战：(1)目前工业化电极材料传质慢、产氢效率低，导致工作电流密度很难提升。(2)实验室制备的催化剂，虽然催化活性有所提高，但是其制备工艺繁琐复杂，对制备条件要求较高，不利于工业化生产。(3)实验室制备的催化剂大部分是颗粒状，需要粘结剂将其负载在其他载体上，不利于工业化应用。(4)实验室制备的催化剂往往都是在比较小的电流密度下进行性能测试，与工业所要求的条件相差较大，而且其服役稳定性较差，不能满足长时间的工作。
[0004]大量研究表明，贵金属Pt、Ir或Os等具有优异的HER催化活性，如较快的反应动力学和较低的过电势。但是贵金属的稀缺性导致成本过高，严重限制了其在电解水中的应用。降低贵金属含量并进一步提高其催化活性和稳定性是当前国际所面临的难题。基于此，通过与过渡族金属合金化不仅可以降低贵金属的用量，而且还能获得适度的金属
‑
氢键能，从而提高HER性能。
[0005]除了成分调控，通过构造具有大比表面积的结构从而提高活性位点的数量也是改善电催化活性的策略之一。基于脱合金化法制得的纳米多孔金属是一列新型的宏观尺度纳米结构材料，其高比表面积、低密度、高通透性、高导电导热性、结构灵活可调等特点使其在电催化相关领域具有广泛的应用。虽然纳米多孔金属材料在电催化方面具有广阔的应用前景，但目前常见的纳米多孔金属材料主要采用晶态合金脱合金化制备得到，由于晶态前驱体合金成分不均匀，材料不可避免的存在晶界、位错等内在缺陷，导致脱合金处理后多孔结构内部存在大量的缺陷，无法制备出均匀纳米多孔结构；同时，纳米多孔金属催化剂结构比较脆，在脱合金的过程中极易破碎。这些都严重限制了纳米多孔金属在电催化电极器材上的实际应用。
[0006]非晶合金由于其具有独特的电子结构被证实具有良好的电催化性能。与晶态合金相比，非晶合金作为前驱体制备纳米多孔金属有着显著的优势：(1)非晶合金相结构单一，没有晶界、位错等缺陷，有利于在脱合金过程中形成均匀的纳米多孔结构；(2)非晶合金的成分范围比较宽，组元可调，便于通过合金成分设计实现对纳米多孔微结构调控；(3)非晶合金的制备方法多样，除了颗粒和薄膜材料外，非晶合金薄带可自支撑，具有良好的机械弯
曲柔性。
[0007]因此，与晶态合金相比，选择具有良好机械弯曲柔性的非晶合金作为前驱体，通过脱合金化方法制备出一种贵金属活性位点富集的纳米多孔非晶合金电极材料。该电极材料不仅继承了非晶合金优异的力学性能，而且表面的纳米多孔结构增加了活性面积，提供了丰富的活性位点，明显提高了电催化活性。同时，通过微量贵金属元素和过渡族金属元素合金化，在兼具活性和稳定性的同时还降低了成本，是对目前纳米结构电催化剂应用局限性的有效解决方法。
技术实现思路
[0008]本专利技术的目的是克服现有析氢电极材料的不足，提供一种贵金属活性位点富集的纳米多孔非晶合金电极材料及其电解水催化应用，在兼具活性和稳定性的同时降低贵金属的使用量，并且具有良好的机械弯曲柔性，可以直接作为催化电极使用。利用非晶合金作为前驱体，通过化学脱合金化得到表面贵金属活性位点富集的自支撑纳米多孔非晶合金电极材料，该材料由表面纳米贵金属富集层、中间纳米多孔非晶过渡层和内部非晶基体层构成，其表面纳米贵金属富集层呈现由亚微米级0.3
‑
0.5μm的蜂窝状孔道和超细海绵状20
‑
50nm的纳米通孔组成的多级孔结构。通过控制腐蚀液的浓度、脱合金化的时间、温度等可以对贵金属元素含量和纳米多孔层厚度的进行调控。该贵金属活性位点富集的纳米多孔非晶合金电极材料满足电极材料比表面积大、催化活性高、生产工艺简单、具有自支撑结构、服役稳定性强等特点，在电解水催化领域具有重要的实际应用价值。
[0009]本专利技术的技术方案如下：
[0010]一种贵金属活性位点富集的纳米多孔非晶合金电极材料，所述电极材料是由表面纳米贵金属富集层、中间纳米多孔非晶过渡层和内部非晶基体层构成的纳米多孔非晶合金薄带，其具有良好的机械弯曲柔性，可180
°
任意弯曲而不折断，易于制备自支撑电极器件。
[0011]进一步地，所述电极材料的成分由微量贵金属元素(Pt、Ir或Os)，3d过渡族金属元素(Ni、Fe或Co)以及Nb元素组成。
[0012]进一步地，所述电极材料的表面纳米贵金属富集层呈现由亚微米级0.3
‑
0.5μm的蜂窝状孔道和超细海绵状20
‑
50nm的纳米通孔组成的多级孔结构，该多级孔结构厚度在100
‑
500nm范围内可控。
[0013]进一步地，所述电极材料表面贵金属(Pt、Ir或Os)在蜂窝状孔道的孔棱上富集，原子百分含量在50
‑
70％。
[0014]为了更好地实现本专利技术的目的，本专利技术进一步提供了一种贵金属活性位点富集的纳米多孔非晶合金电极材料的制备方法，其要点包括：
[0015](1)非晶合金前驱体成分：前驱体合金成分由以下公式表示：M
x
Nb
y
N
z
，其中M为3d过渡金属元素Ni、Fe或Co中一种或一种以上，N为贵金属元素Pt、Ir或Os中的一种或一种以上，55≤x≤65，35≤y≤45，0≤z≤5，x+y+z＝100，所标成分为原子百分比。
[0016](2)真空旋淬甩带工艺：铜辊线速度控制在20
‑
35m/s，非晶合金薄带的厚度为25
‑
50μm，宽度为2
‑
3mm。
[0017](3)脱合金化参数：采用氢氟酸作为腐蚀液，浓度为0.1
‑
1mol/L，脱合金化时间为2
‑
9h，脱合金化温度为0
‑
25℃。
[0018]进一步地，所述电极材料具有三维自支撑电极结构，可以直接作为电解水析氢电极，其表现出优异的电催化活性：10mA/cm2电流密度的析氢过电位为17
‑
30mV，塔菲尔斜率为24
‑
43mV/dec。
[0019]进一步地，所述电极材料在大电流密度条件下具有优异的稳定性，在500mA/cm2电流密度条件下可稳定运行时间超过本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种贵金属活性位点富集的纳米多孔非晶合金电极材料，其特征在于，所述电极材料是由表面纳米贵金属富集层、中间纳米多孔非晶过渡层和内部非晶基体层构成的合金薄带，其具有良好的机械弯曲柔性，可180
°
任意弯曲而不折断，易于制备自支撑电极器件。2.一种贵金属活性位点富集的纳米多孔非晶合金电极材料，其特征在于，所述电极材料的成分由贵金属元素(Pt、Ir或Os)，3d过渡族金属元素(Ni、Fe或Co)以及Nb元素组成。3.一种贵金属活性位点富集的纳米多孔非晶合金电极材料，其特征在于，所述电极材料的表面纳米贵金属富集层呈现由亚微米级0.3
‑
0.5μm的蜂窝状孔道和超细海绵状20
‑
50nm的纳米通孔组成的多级孔结构，该多级孔结构厚度在100
‑
500nm范围内可控。4.一种贵金属活性位点富集的纳米多孔非晶合金电极材料，其特征在于，所述电极材料表面的贵金属(Pt、Ir或Os)在蜂窝状孔道的孔棱上富集，原子百分含量在50
‑
70％。5.根据权利要求1
‑
4所述的一种贵金属活性位点富集的纳米多孔非晶合金电极材料，其特征在于，所述材料的制备方法要点包括：(1)非晶合金前驱体成分：前驱体合金成分由以下公式表示：MxNbyNz，其中M为3d过...
【专利技术属性】
技术研发人员：李睿，张雅楠，王旭，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。