一种用于析氢反应的Fe-Co-Ni-P-C系高熵合金电催化剂及其制备方法与流程

本发明涉及高熵合金带材的制备以及电催化材料应用领域，具体涉及一种用于高效析氢反应的fe-co-ni-p-c系高熵合金电催化剂。

背景技术：

氢气随着能源危机以及环境污染的日益加剧，各种新能源和可再生能源的开发已受到世界各国的高度重视，而氢气作为二次能源以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为最为理想的能源载体。在目前的众多制氢技术中电解水制氢对于未来解决能源危机和环境问题具有极大的价值。催化在有效的工艺和系统的设计中起着至关重要的作用，能够最大限度地提高原料的价值，同时可以减少废物产生和能源需求。

在析氢反应电催化剂研究的早期，人们关注对象主要是pt、pd等贵金属材料。贵金属材料由于高昂的成本以及稀缺性限制了本身的广泛商业应用。随着近年来的研究发展，为了避免高昂的使用成本，过渡金属合金及其氮化物、硼化物、碳化物、硫化物以及磷化物在析氢反应电催化方面的研究受到了广泛的重视。一系列过渡金属化合物被制备出来并展现出优异的电催化性能。此后相关的材料一直成为电催化材料的研究热点。

高熵合金，由于在腐蚀介质中具有很好的稳定性以及高催化活性，因而被大家认为是一种潜在的电催化剂。而且铁基纳米材料也已被大量实验证实符合低的成本效益，并且具有良好的耐腐蚀特性与电催化活性。与一般的湿化学方法合成的材料不同，高熵合金通常通过熔体旋淬法大规模生产，能够实现广泛商业化应用。鉴于高熵合金的优良性能，包括优异的机械性能、低廉的生产成本以及良好的耐腐蚀性，设计一种基于过渡金属fe基的高熵合金实现高的析氢电催化活性的催化剂是当下迫切需要的。

技术实现要素：

本发明的目的是制备出一系列具有优异电催化活性以及高稳定性的fe-co-ni-p-c系高熵合金带材用于高效析氢反应，从而解决现有电催化剂电流密度低、过电位高、稳定性差的问题。

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

本发明用于析氢反应的fe-co-ni-p-c系高熵合金电催化剂，其特点在于：所述电催化剂为fe-co-ni-p-c系高熵合金带材，其成分为fe25co25ni25(p1.0-xcx)25，其中x为合金带材中c元素的原子百分数，0.3≤x≤1.0。

本发明用于析氢反应的fe-co-ni-p-c系高熵合金电催化剂，其特点也在于：所述的fe-co-ni-p-c系高熵合金带材所用合金原材料fe、co、ni纯度为99.9wt.％，其余的原材料纯度均不低于99.00wt.％。

上述的fe-co-ni-p-c系高熵合金电催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)原材料的处理

选取适量的纯度为99.9wt.％的金属单质fe、co、ni，通过机械打磨、除油(碱洗除油或电解除油)、酸洗，除去高纯金属单质fe、co、ni表面的氧化物和油脂物质，保证原材料表面无其他杂质；

(2)母合金锭的制备

按照名义成分fe25co25ni25(p1.0-xcx)25，将处理后的单质fe、co、ni和c粉、p粉进行配料，然后在高纯氩气保护下，用真空电弧熔炼炉熔炼，为了保证合金成分均匀，母合金在炉内反复熔炼4次以上，得到母合金铸锭；

(3)高真空甩带

利用感应加热的方式将步骤(2)制得的母合金铸锭熔化，然后利用熔体旋淬法，在高真空条件下将熔融态合金喷射到高速旋转的铜辊上，通过铜辊的导热将熔融态合金快速冷却，得到用于作为电催化剂的fe-co-ni-p-c系高熵合金带材。本发明所得fe-co-ni-p-c系高熵合金带材的厚度范围在10-50μm。

本发明有益效果体现在：

1、本发明的fe-co-ni-p-c系高熵合金带材表现出优异的电催化活性，是良好的析氢反应电催化剂，具有广泛商业化应用前景。

2、本发明的电催化剂采用熔体旋淬法制备，制备方法简单、易操作、成本低、环境友好，整个制备过程不需要特殊设备，能进行大规模工业化生产，得到的合金带材品质较高：本发明方法制备的fe-co-ni-p-c系带材可同时实现导电性好、活性位点多、催电化活性高等优点。

附图说明

图1为实施例所得系列fe-co-ni-p-c系高熵合金带材的x射线衍射图谱

图2为实施例所得系列fe-co-ni-p-c系高熵合金带材在0.5mol/lh2so4电解液中的线性扫描伏安法性能曲线

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

下述实施例的fe-co-ni-p-c系高熵合金带材采用熔体旋淬法制备，所用设备型号为：wk，北京物科，中国。

下述实施例所得fe-co-ni-p-c系高熵合金带材的非晶特性采用x射线衍射法(xrd)检测，所用设备型号为：x'pertprompdx射线衍射仪，帕纳科(panalytical)，荷兰。

下述实施例所得fe-co-ni-p-c系高熵合金带材的电催化活性采用电化学工作站获得，所用设备型号为：chi760e，上海辰华，中国。

实施例

本实施例按如下步骤制备fe-co-ni-p-c系高熵合金带材：

(1)原材料的处理

选取适量的纯度为99.9wt.％的单质fe、co、ni，通过机械打磨、除油(碱洗除油或电解除油)、酸洗，除去高纯金属单质fe、co、ni表面的氧化物和油脂物质，保证原材料表面无其他杂质。

(2)母合金锭的制备

按照名义成分fe25co25ni25(p1.0-xcx)25(x＝0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0)，将处理后的单质fe、co、ni和c粉、p粉进行配料，然后在高纯氩气保护下，用真空电弧熔炼炉熔炼，为了保证合金成分均匀，母合金在炉内反复熔炼4次以上，得到母合金铸锭。

(3)高真空甩带

利用感应加热的方式将步骤(2)制得的母合金铸锭熔化，然后利用熔体旋淬法，在高真空条件下将熔融态合金喷射到高速旋转的铜辊上，通过铜辊的导热将熔融态合金快速冷，得到用于作为电催化剂的fe-co-ni-p-c系高熵合金带材。

用x射线衍射法表征本实施例所得系列fe-co-ni-p-c系高熵合金带材的结构，结果如图1所示，可以断定这些合金带材为高熵合金。

在微波功率100w条件下，将本实施例所得的系列fe-co-ni-p-c系高熵合金带材在丙酮中超声30分钟，然后依次用去离子水和无水乙醇洗涤、真空干燥箱干燥得到表面清洁的测试样。将所得测试样用于电解水(析氢)电催化反应，进行电化学活性测试：将测试样夹在对应的电极夹上，采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为0.5mol/lh2so溶液时，在扫描速率为5mv/s的扫速下测量，结果如图2所示。可以看出，在x＝0.7时，即p含量为7.5％时，析氢性能最好，在过电位80mv时样品电流密度可达到l0macm^-2。

以上仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。