[發明專利]一種高活性富Mn高熵合金電解水催化材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110401390.3
• 申請日: 2021-04-14
• 公開（公告）號: CN113122875B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 牟娟;李海龍;朱正旺;張海峰
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C25B11/061
• 分類號: C25B11/061;C22C22/00;C25B1/04
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 陳玲玉

本發明屬于電解水催化材料制備領域，一種高活性富Mn高熵合金電解水催化材料及其制備方法。該合金為Mn_x(FeCoNiCr)_y，所述合金按原子比由以下成分組成：Mn:50％～60％，Fe:10％～12.5％，Co:10％～12.5％，Ni:10％～12.5％，Cr:10％～12.5％，其中原子百分比用量為x+y＝1,0.5≤x≤0.6,0.4≤y≤0.5。采用電化學腐蝕或者化學腐蝕的方法，增大催化劑的活性面積，露出更多的催化活性位點，從而制備出高活性的非貴金屬電解水陽極催化材料。該催化材料表面活性位點多，導電性好，進而提升電解水制氫效率；耐蝕性和穩定性好，進而提升電解水制氫效率；工藝簡單、成熟，易于實現工業化應用，實現大電流密度下的電解水制氫工業應用。

技術領域

本發明屬于電解水催化材料制備領域，特別涉及一種電解水催化材料及其制備方法。

背景技術

隨著世界人口的持續增長和工業水平的不斷提高，化石能源的消耗量飛速增長。此外，化石能源的燃燒所帶來的的二氧化硫、氮氧化物和有毒煙塵的也會引起空氣污染以及生態破壞。為擺脫這一現狀，全球進入新的能源轉型期，開發和利用更經濟、更環保、更高效的能量存儲和轉換技術變得越來越迫切。

氫能，作為一種高能量密度、零排放的二次能源，被譽為最理想的可再生能源之一。其中，電解水制氫技術占比仍然比較低的一個重要原因是，發生在陽極的析氧反應是四電子過程，動力學較為緩慢，造成分解水的過電位過高，影響電解效率。另一方面，工業上目前應用到電解水裝置上的大多是貴金屬Ir、Ru基材料，成本較高，且儲量較少。因此，開發經濟適用、高效穩定的非貴金屬基催化劑，提高析氧反應的動力學過程，并惠及相關能源技術，具有十分重大的意義。

高熵合金包含了五種或更多的主元。一方面，多主元特征導致混合熵高，有利于形成固溶相，而不同的原子尺寸，會導致嚴重的晶格畸變，利于提高電極的耐蝕性和穩定性，另一方面，高熵合金廣泛的成分調制范圍和固有的復雜表面優化了電催化過程中活性位點的電子結構，改善了中間體在催化劑表面的吸附和脫附，從而提高了催化性能。

近幾年，高熵合金衍生的非貴金屬催化材料取得了許多研究進展并有望替代傳統的貴金屬催化劑，但依然存在許多不足與挑戰：一是目前多用高熵合金粉末催化劑，催化循環穩定性較低，回收過程增加工藝成本，大規模工業應用較難，二是塊體高熵合金的催化活性面積有限，導致催化效率低，市場應用前景較差。因此探索低成本且成熟的工藝條件，得到擁有較大活性面積、持續高效的塊體高熵合金催化劑，是非常重要的挑戰。

發明內容

本發明為了克服現有技術中存在的問題，提供一種高活性富Mn高熵合金電解水催化材料及其制備方法。為達上述目的，本發明采用如下的技術方案：

一種高活性富Mn高熵合金電解水催化材料，該合金為Mn_x(FeCoNiCr)_y，所述合金按原子比由以下成分組成：Mn:50％～60％，Fe:10％～12.5％，Co:10％～12.5％，Ni:10％～12.5％，Cr:10％～12.5％，其中原子百分比用量為x+y＝1,0.5≤x≤0.6,0.4≤y≤0.5。采用電化學腐蝕或化學腐蝕的方法，增大催化劑的活性面積，露出更多的催化活性位點，從而制備出高活性的非貴金屬電解水陽極催化劑。

本發明還提供了所述高活性富Mn高熵合金電解水催化材料的制備方法，包含以下幾個步驟：

步驟1，按照Mn_x(FeCoNiCr)_y合金中各原子比例，分別稱取Mn、Fe、Co、Ni和Cr金屬塊體顆粒；

步驟2，將步驟1配置的金屬塊體顆粒在高真空電弧熔煉爐中進行熔煉，并在銅模坩堝中得到Mn_x(FeCoNiCr)_y高熵合金鑄錠；