非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备方法和制备装置与流程

本发明涉及电解水制氢，尤其涉及一种非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备方法和制备装置。

背景技术：

1、传统的电解水催化剂如铂、钯等贵重金属，价格高昂，不仅增加了生产成本，而且对环境也有影响。因此，研发出价格低廉、效率高的新型电解水催化剂具有重要的战略意义，它可以促进可持续能源的发展，推动清洁能源汽车的普及，促进能源转化和储存技术的发展，实现能源的可持续发展。而过渡金属电催化剂催化效率可观且成本低廉，在电解水等领域极具应用潜力，因而成为研究者们的关注热点。其中，过渡金属氮化物（tmns）因其独特的d带电子结构而具有高导电性和高催化活性，近年来备受关注。然而单相tmn在实际反应条件下的活性及长期稳定性都不理想，因此需要通过有效的调控策略加以改善。另一方面，非晶态合金催化剂由于其长程无序而短程有序的独特非晶态结构，导致其优良的催化活性、选择性和抗中毒能力，特别是在制备过程中的环境污染少，催化效率高的特点，越来越引起人们的重视。相比晶体催化剂来说，非晶催化剂往往具有更高的催化活性位密度、成分更加灵活，可以在更大范围内对成分进行调节，但大量的非晶催化剂的制备通常需要的制备条件较为苛刻，生成成本高，工业应用前景较差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的之一在于解决非晶体催化剂的生产成本高、工艺复杂的问题，为了解决上述问题，本发明提供了一种非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备方法。

2、具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：

3、根据本发明的第一方面，提供了一种非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备方法，该方法包括：制备化学式为niafebbcpdcesifnbgmohmi的母合金锭；将母合金锭制备成合金薄带，并将合金薄带制备成合金条带；去除合金条带表面的氧化层；将合金条带进行氮化，以制备出非晶体过渡金属氮化物电催化剂。

4、根据本发明提供的非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备方法，通过制备出化学式为niafebbcpdcesifnbgmohmi的母合金锭，并将其加工成便于处理的合金条带，然后将合金条带表面的氧化层去除，进而将去除氧化层的合金条带进行氮化，便可制备出非晶体过渡金属氮化物电催化剂。采用本技术的制备方法制备出的非晶体过渡金属氮化物电催化剂在碱性介质中具有优异的电解水产氧活性和稳定性，在电流密度为10ma cm-2时，所需的过电位不高于280mv。同时，由于本技术的制备方法的制备条件较为简单，可以制备出非晶体过渡金属氮化物电催化剂，在提高催化剂催化活性的同时还能降低成本，因此应用工业前景较好。

5、在上述技术方案中，去除合金条带表面的氧化层的步骤，具体包括：将合金条带进行裁剪；将裁剪后的合金条带置于硫酸溶液中，以去除合金条带表面的氧化层。

6、在该技术方案中，可以将合金条带进行裁剪，并将裁剪后的合金条带置于硫酸溶液中，以去除合金条带表面的氧化层，从而便于后续对合金条带的氮化。

7、在上述技术方案中，硫酸溶液的浓度大于等于1mol/l，且小于等于3mol/l。

8、在该技术方案中，硫酸溶液的浓度大于等于1mol/l，且小于等于3mol/l，避免了浓度过小导致氧化层去除的不充分，以及浓度过大影响氧化层去除的问题。

9、在上述技术方案中，裁剪后的合金条带的长度大于等于1cm，且小于等于2cm。

10、在该技术方案中，裁剪后的合金条带的长度大于等于1cm，且小于等于2cm，通过限定合金条带的大小、长度，能够保证非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备效果以及制备效率。

11、在上述技术方案中，将合金条带进行氮化，以制备出非晶体过渡金属氮化物电催化剂的步骤之前包括：将去除表面氧化层的合金条带放入去离子水中进行清洗；将清洗后的合金条带进行烘烤。

12、在该技术方案中，对去除表面氧化层的合金条带进行氮化时，可以将合金条带放入去离子水中进行清洗，并将清洗后的合金条带进行烘烤，从而保证后续对合金条带的氮化效果。

13、在上述技术方案中，烘烤的温度大于等于45℃，且小于等于55℃。

14、在该技术方案中，将烘烤的温度限定在大于等于45℃，且小于等于55℃之间，既能保证将合金条带完全烘干，又能保证不会影响合金条带的性能。

15、在上述技术方案中，烘烤的温度为50℃。

16、在该技术方案中，当烘烤的温度为50℃时，烘烤的效果最佳。

17、在上述技术方案中，烘烤的时间大于等于10分钟，且小于等于15分钟。

18、在该技术方案中，烘烤的时间不宜过长，也不宜过短，烘烤的时间在10分钟至15分钟之间，烘烤的效果最佳。

19、在上述技术方案中，将合金条带进行氮化，以制备出非晶体过渡金属氮化物电催化剂的步骤，具体包括：将合金条带放入加热设备中进行加热，并向加热设备中通入nh3，以制备出非晶体过渡金属氮化物电催化剂。

20、在该技术方案中，对合金条带进行氮化可以采用通入nh3的方式，具体地，将合金条带放入加热设备中进行加热，并向加热设备中通入nh3，从而制备出非晶体过渡金属氮化物电催化剂。该种氮化方式较为简单，且氮化效果较好。

21、在上述技术方案中，加热合金条带的温度大于等于270℃，且小于等于300℃。

22、在该技术方案中，将合金条带放入加热设备中进行加热，可以将其加热温度限定在270℃至300℃之间，从而保证制备出的催化剂的催化效果以及催化性能。

23、在上述技术方案中，加热合金条带的时间大于等于240小时，且小于等于360小时。

24、在该技术方案中，将加热合金条带的加热时间限定在240小时至360小时之间，可以保证最终制备出的非晶体过渡金属氮化物电催化剂的催化性能。

25、在上述技术方案中，加热设备包括管式炉。当然，也可以是其他加热设备。

26、在上述任一技术方案中，化学式为niafebbcpdcesifnbgmohmi的母合金锭中m包括贵金属元素。

27、在该技术方案中，化学式为niafebbcpdcesifnbgmohmi的母合金锭中m为贵金属元素，通过将母合金锭中的m限定为贵金属元素，一方面可以保护其他成分，另一方面有利于性能的提升。

28、进一步地，贵金属元素包括以下至少之一或其组合：pd、pt、ru和ag。

29、在上述任一技术方案中，化学式为niafebbcpdcesifnbgmohmi的母合金锭中，0≤a≤80，0≤b≤80，0≤c≤20，0≤d≤20，0≤e≤5，0≤f≤10，0≤g≤10，0≤h≤10，0≤i≤5。

30、在该些技术方案中，化学式为niafebbcpdcesifnbgmohmi的母合金锭中，0≤a≤80，0≤b≤80，0≤c≤20，0≤d≤20，0≤e≤5，0≤f≤10，0≤g≤10，0≤h≤10，0≤i≤5，通过对不同元素的原子个数进行限定，可以保证最终制备出的非晶体过渡金属氮化物电催化剂的催化性能。

31、在上述任一技术方案中，合金条带的厚度大于等于30微米，且小于等于45微米；和/或合金条带的宽度大于等于0.5毫米，且小于等于15毫米。

32、在该些技术方案中，通过将合金条带的厚度限定在30微米至45微米；和/或合金条带的宽度限定在0.5毫米至15毫米，可以保证对合金条带的去除氧化层以及烘烤处理更加方便快速，便于非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备。

33、在上述任一技术方案中，母合金锭采用真空电弧熔炼技术制备；和/或合金薄带采用真空甩带炉制备。

34、在该些技术方案中，母合金锭采用真空电弧熔炼技术制备；和/或合金薄带采用真空甩带炉制备，真空电弧熔炼技术和真空甩带炉都是比较常见的，因此能够降低催化剂的制备难度。

35、本发明第二方面的技术方案提供了一种非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备装置，用于实现第一方面任一项技术方案中的非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备方法。

36、根据本发明提供的非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备装置，用于实现第一方面任一项技术方案中的非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备方法。由于该非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备装置是用于实现如第一方面任一项技术方案中的非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备方法。因此，本发明提供的非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备装置还具有第一方面任一项技术方案中的非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备方法的全部有益效果，在此不再赘述。

37、本发明第三方面的技术方案提供了一种非晶体过渡金属氮化物电催化剂，采用如第一方面任一项技术方案中的非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备方法制备。

38、根据本发明提供的非晶体过渡金属氮化物电催化剂，采用第一方面任一项技术方案中的非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备方法。由于非晶体过渡金属氮化物电催化剂是采用第一方面任一项技术方案中的非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备方法制备。因此，本发明提供的非晶体过渡金属氮化物电催化剂还具有第一方面任一项技术方案中的非晶体过渡金属氮化物电催化剂的制备方法的全部有益效果，在此不再赘述。

39、本发明第四方面的技术方案提供了一种电极，采用第三方面任一项技术方案中的非晶体过渡金属氮化物电催化剂制备。

40、根据本发明提供的电极，采用第三方面任一项技术方案中的非晶体过渡金属氮化物电催化剂制备。由于该电极采用第三方面任一项技术方案中的非晶体过渡金属氮化物电催化剂制备。因此，本发明提供的电极还具有第三方面任一项技术方案中的非晶体过渡金属氮化物电催化剂的全部有益效果，在此不再赘述。

41、本发明第五方面的技术方案提供了一种电解装置，包括第四方面任一项技术方案中的电极。

42、根据本发明提供的电解装置，包括第四方面任一项技术方案中的电极。由于该电解装置包括第四方面任一项技术方案中的电极。因此，本发明提供的电解装置还具有第四方面任一项技术方案中的电极的全部有益效果，在此不再赘述。