[發明專利]一種應用于酸性析氧反應的FeCoNiIrRu高熵納米粒子催化材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110239827.8
• 申請日: 2021-03-04
• 公開（公告）號: CN113061937B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 朱罕;祝振鋒;孫淑慧;陸雙龍;段芳;杜明亮
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: C25B11/093
• 分類號: C25B11/093;C25B1/04
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 張勇

本發明公開了一種應用于酸性析氧反應的FeCoNiIrRu高熵納米粒子催化材料及其制備方法，屬于催化材料制備領域。本發明通過引入過渡金屬Fe、Co、Ni降低貴金屬Ir、Ru用量，并通過靜電紡絲法結合高溫煅燒將五種元素均勻分散形成負載在碳納米纖維上的FeCoNiIrRu高熵納米粒子催化材料，在酸性條件下同時具有十分優異的催化析氧性能，析氧活性優于商業IrO₂，具有良好的應用前景。

技術領域

本發明具體涉及一種應用于酸性析氧反應的FeCoNiIrRu高熵納米粒子催化材料及其制備方法，屬于催化材料制備領域。

背景技術

近年來，由于人口的持續增長引起了能源的快速消耗，此外化石燃料的使用帶來的環境污染問題日益嚴重，人們迫切地希望開發出更多的環境友好型能源。據研究表明，單位質量的氫氣燃燒產生的能量高達汽油的2.5倍以上，并且水是氫氣燃燒的唯一產物，因此氫氣被證明是理想的能源載體。

電催化水解技術因產物純凈、轉化效率高、設備簡單等而備受關注。電解水過程中的析氧反應(OER)動力學過程緩慢，使得制氫速率低，不能滿足實際需求。高效的催化劑可以降低反應能壘，加速電催化水解過程。目前，Ir、Ru及其氧化物是析氧反應最高效的電催化劑，然而，這些貴金屬催化劑不僅價格高昂而且含量稀缺，這大大限制了其商業化應用。盡管已經提出了許多基于非貴金屬的OER催化劑，例如基于NiFe的金屬氧化物/氫氧化物，但這些低成本的電催化劑不適用于酸性環境。因此如何在保證酸性條件下析氧性能的條件下開發成本較低的催化材料非常重要。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種基于引入過渡金屬Fe、Co、Ni降低貴金屬Ir、Ru用量的FeCoNiIrRu五元高熵納米粒子催化材料及其制備方法，該方法通過靜電紡絲法制得FeCoNiIrRu納米纖維，然后在惰性氣氛下，通過高溫煅燒碳化，得到FeCoNiIrRu高熵合金納米粒子催化材料。本發明方法能夠降低成本，簡單易得，所得FeCoNiIrRu/NPs催化材料在酸性條件下同時具有優異的析氧反應活性，且穩定性良好。

本發明經過大量探究，發現催化劑的化學組成、形貌等因素都對催化性能的高低有著至關重要的影響。通過調整催化劑的化學組成、設計特殊的納米結構以及合適的電子結構可以提高催化劑的催化活性。一方面，調整電催化劑的化學組成的一種有效方法是將金屬原子混溶形成不同的相結構，不同原子間的混溶有利于提高貴金屬催化劑的質量活性。另一方面，優化電催化劑的納米結構可以增加催化劑的活性比表面積，并且高熵態帶來的晶格畸變以及電子效應能帶來特殊的催化活性。其中，納米粒子的尺寸效應能夠有效提高貴金屬的原子利用率進而提高其催化活性。

本發明的第一個目的是提供一種制備FeCoNiIrRu高熵納米粒子催化材料的方法，所述方法包括如下步驟：

(1)將鐵鹽、鈷鹽、鎳鹽、銥鹽、釕鹽和納米纖維前驅體分散于有機溶劑中，獲得紡絲液；然后通過靜電紡絲，制得納米纖維膜；

(2)將步驟(1)所得納米纖維膜進行煅燒預氧化，然后在惰性氣體氛圍下煅燒碳化，即得FeCoNiIrRu高熵納米粒子催化材料FeCoNiIrRu/NPs。

在本發明的一種實施方式中，步驟(1)所述的納米纖維前驅體包括聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇的一種或多種。

在本發明的一種實施方式中，步驟(1)所述的紡絲液中納米纖維前驅體的質量分數為8wt％～20wt％。

在本發明的一種實施方式中，步驟(1)所述的鐵鹽為氯化鐵、硝酸鐵和乙酰丙酮鐵的一種或多種。

在本發明的一種實施方式中，步驟(1)所述的鈷鹽為氯化鈷、硝酸鈷和乙酰丙酮鈷的一種或多種。

在本發明的一種實施方式中，步驟(1)所述的鎳鹽為氯化鎳、硝酸鎳和乙酰丙酮鎳的一種或多種。