[發(fā)明專利]利用攪拌摩擦加工制備銅銀合金析氫催化劑的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210010780.2
• 申請(qǐng)日: 2022-01-05
• 公開（公告）號(hào): CN114289854B
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 杜希文;胡心卓
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K20/12
• 分類號(hào): B23K20/12;B23K20/24;C25B1/04;C25B11/046
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 王麗

本發(fā)明涉及利用攪拌摩擦加工制備銅銀合金析氫催化劑的方法；以塊狀金屬銅板、銅片和銀片為原料；用夾具將金屬銅板和交錯(cuò)排列的銅銀片固定在攪拌摩擦焊機(jī)的工作臺(tái)上，將銀片和銅片交錯(cuò)排列夾在兩塊銅板中間，銅銀片疊加的寬度小于攪拌頭的直徑；使用帶軸肩的攪拌頭；加工開始時(shí)攪拌頭對(duì)準(zhǔn)銅銀片，調(diào)整攪拌頭下壓至攪拌針完全沒入加工金屬中，讓攪拌頭沿銅銀片一端自動(dòng)旋轉(zhuǎn)前進(jìn)至另一端為混合一次；直至表面銅銀界線消失；切下攪拌頭擠出的金屬條直接作為催化劑。本發(fā)明克服了現(xiàn)有不固溶金屬合金化的方法不適用于塊體材料的問題。首次將攪拌摩擦加工應(yīng)用到電催化領(lǐng)域，工藝簡(jiǎn)單、操作方便、且不使用有毒反應(yīng)原料，是一種環(huán)境友好的綠色合成工藝。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及焊接技術(shù)領(lǐng)域和電催化領(lǐng)域，特別涉及攪拌摩擦加工技術(shù)以及自支撐材料的析氫性能。

背景技術(shù)

不固溶金屬合金化可調(diào)整金屬整體的電子狀態(tài)，不固溶合金在電催化領(lǐng)域有非常好的應(yīng)用前景。銅因其優(yōu)異的導(dǎo)電性和豐富的儲(chǔ)量而被用于催化析氫反應(yīng)，該反應(yīng)主要包括吸附和脫附兩個(gè)過程，如果吸附很強(qiáng)，則脫附過程難以發(fā)生，所有可用的表面位點(diǎn)都被占據(jù)，使得反應(yīng)很難繼續(xù)進(jìn)行；而容易脫附時(shí)，吸附又太弱，所以要找到吸附與脫附的平衡點(diǎn)，在理想的催化劑表面，氫原子的吸附不能太強(qiáng)也不能太弱；銅的d層電子完全填充，反鍵態(tài)低于費(fèi)米能級(jí)，鍵合強(qiáng)度小，與吸附質(zhì)的結(jié)合較弱，析氫反應(yīng)的吸附過程進(jìn)行困難，需要施加很大的過電勢(shì)才能使反應(yīng)發(fā)生；若要提升銅的催化性能，可通過引入第二種金屬，如銀，形成銅銀不固溶合金，調(diào)整銅的電子狀態(tài)，調(diào)節(jié)銅的d帶中心的位置，增強(qiáng)氫在銅表面的吸附，使吸附過程更容易發(fā)生，反應(yīng)所需的過電勢(shì)更小，從而得到高效的析氫催化劑，參見Ruban?A,Hammer?B,Stoltze?P,et?al.Surface?electronic?structure?and?reactivityof?transition?and?noble?metals[J].Journal?of?Molecular?Catalysis?A:Chemical,1997,115(3):421-429.

不固溶金屬體系的組成元素在常溫常壓下缺少熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力不能合金化，如銅銀僅有很小的固溶度，利用常規(guī)方法實(shí)現(xiàn)直接合金化比較困難，合金化方法成為研究重點(diǎn)，近年來陸續(xù)出現(xiàn)了各種不固溶金屬合金化方法，如球磨、物理氣相沉積、離子束混合等，參見黃遠(yuǎn),杜金龍,王祖敏.二元互不固溶金屬合金化的研究進(jìn)展[J].金屬學(xué)報(bào),2020,56(06):801-820.雖然已經(jīng)報(bào)道了多種合金化的方法，但這些方法更適合粉末合金和薄膜材料的制備，這些傳統(tǒng)的電催化材料在使用中需要添加粘合劑，且存在催化劑脫落和導(dǎo)電性較差的問題，導(dǎo)致該類催化劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，而自支撐材料可直接作為催化劑，不需要添加劑，快速的電荷轉(zhuǎn)移不受阻礙，能較好地避免性能衰減問題，有良好的穩(wěn)定性，但大多數(shù)方法獲得自支撐材料表面成分單一、催化活性較低,Liu?F,et?al.Self-supportedtransition-metal-based?electrocatalysts?for?hydrogen?and?oxygen?evolution[J].Advanced?Materials,2020,32(3):1806326.

而攪拌摩擦加工是一種固相連接工藝，依靠高速旋轉(zhuǎn)攪拌頭與被焊工件摩擦產(chǎn)生的熱使金屬材料塑化，在攪拌和軸肩壓力聯(lián)合作用下，實(shí)現(xiàn)兩塊金屬的焊接。目前，該方法僅僅作為一種有效的塊體材料焊接方式，不以金屬混合為目的，但改變常規(guī)焊接的工藝方法和參數(shù)或可實(shí)現(xiàn)第二相金屬的良好分散。

發(fā)明內(nèi)容