一种NiFeCo基非晶高熵合金多功能电催化自支撑电极及其制备方法与应用

本发明涉及一种nifeco基非晶高熵合金多功能电催化自支撑电极及其制备方法与应用，属于电催化。

背景技术：

1、由于全球能源需求的持续快速增长，随之而来的是日益严重的环境污染问题，开发新型清洁可再生的能源迫在眉睫。因能量密度高和环境友好等优点，氢能被认为是传统化石能源的理想替代品。在众多制氢技术中，电催化水分解制氢因其产氢效率高、纯度高而被认为是非常有前途的制氢方法。电解水包括析氢反应(her)和析氧反应(oer)两个半反应。

2、非晶合金材料具有良好的耐腐蚀、耐磨性、机械强度、韧性、导电性等性能，是一种优良的结构材料。此外，非晶合金材料的各向同性、成分柔性、不饱和表面等优异性能可以促进电化学反应的进行。

3、因高熵效应的存在，多组分构成的高熵合金材料具备更大的比表面积，更多的活性位点，这有利于促进电子转移并提升电催化性能。其次，不同组分间的协同效应也有利于催化材料电催化性能的提升。目前，高熵合金材料催化剂因其优异的性能已成为电催化研究的新领域。wang等人首次采用两步煅烧法合成了高熵磷酸盐/碳杂化纳米片(hepi/c)，在电流密度为10ma cm-2时，oer和her的过电位分别达到272mv和220mv。zhang等人用磁控溅射法在ti基底上沉积了feconimocr高熵合金薄膜并制成电极，用sem和eds观察和分析了电极表面和横截面的形貌和元素分布，用表面轮廓测量仪测量了电极的表面粗糙度，通过xrd分析电极的物相和结构，利用电化学工作站测得电极的电化学性能，结果表明，电极的表面粗糙、元素分布均匀，电极上的膜厚约为2.40μm，薄膜呈非晶态；电极在碱性溶液中表现出了良好的析氧性能和稳定性，在电流密度为10ma·cm-2条件下，过电位为360mv，tafel斜率为73.45mv·dec-1。liu等人研究利用超声波辅助湿化学法制备了三元ptaupd、四元ptaupdrh和五元ptaupdrhru高熵合金纳米颗粒，其平均尺寸为2.6nm，在碱性环境her反应中，三元ptaupd在电流密度30ma·cm-2时，过电位为600mv，tafel斜率为177mv·dec-1，四元ptaupdrh在同条件下，过电位250mv，tafel斜率为91mv·dec-1，五元高熵合金ptaupdrhru在相同条件下过电位为190mv，tafel斜率为62mv·dec-1。上述进展中，研究人员所制备的高熵电催化材料的合成和制备过程通常较为复杂，需要严格控制温度、时间和气氛等多个因素，以获得所需的结构和性质。并且一些高熵电催化材料的配方中包含贵金属元素，如铂(pt)、钯(pd)、铑(rh)、金(au)等。这使得这些材料的成本相对较高，限制了它们在大规模应用中的可行性。

4、因此，开发一种制备工艺简单，由经济性和可持续性的更高的非贵金属组成的电催化性能优异的非晶高熵电催化自支撑电极对于电催化水分解制氢具有重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种nifeco基非晶高熵合金多功能电催化自支撑电极及其制备方法与应用。本发明通过以滤纸为基底，利用高熵效应，形成nifeco基非晶高熵合金自支撑电极，获得的自支撑电极可以直接作为工作电极使用，提高了电解水催化剂的稳定性和电催化性能。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种nifeco基非晶高熵合金多功能电催化自支撑电极的制备方法，包括步骤如下：

4、(1)将硫酸镍、硫酸铁、硫酸钴、钨酸钠、硫酸锌加入去离子水中，得到金属盐溶液；依次向所得金属盐溶液中加入柠檬酸钠水溶液和次磷酸钠水溶液，调节体系ph至9-11，得到混合溶液；

5、(2)将滤纸置于氢氧化钠水溶液中，进行碱处理；之后冲洗干净，将碱处理后的滤纸置于氯化钯水溶液中活化，之后置于硼氢化钠水溶液中进行还原，之后冲洗干净，得到处理后的滤纸；

6、(3)将步骤(2)处理后的滤纸加入步骤(1)的混合溶液中，进行反应；之后经洗涤、干燥，得到nifeco基非晶高熵合金多功能电催化自支撑电极。

7、根据本发明优选的，步骤(1)中所述硫酸镍、硫酸铁、硫酸钴、钨酸钠、硫酸锌的摩尔比为1:1:1:1:1。

8、根据本发明优选的，步骤(1)中所述金属盐溶液中硫酸镍的浓度为0.05-0.2mmol/ml。

9、根据本发明优选的，步骤(1)中所述柠檬酸钠水溶液的浓度为0.5-0.8mmol/ml；所述次磷酸钠水溶液的浓度为1-1.5mmol/ml；所述柠檬酸钠和次磷酸钠的摩尔比为0.55-0.65:1，所述柠檬酸钠与硫酸镍的摩尔比为6-7:1。

10、根据本发明优选的，步骤(1)中，使用氨水溶液调节体系的ph至9-11，进一步优选的，使用氨水溶液调节体系的ph至10；所述氨水溶液的质量分数为25-28％。

11、根据本发明优选的，步骤(2)中所述氢氧化钠水溶液的浓度为80-100g/l；所述氢氧化钠水溶液的量没有具体限定，完全浸没滤纸即可，可稍过量；所述滤纸规格、大小没有具体限定，滤纸只是作为基底促进颗粒分散，优选的，所述滤纸尺寸为1cm×2cm，所述滤纸可为普通慢速、中速或快速的定性滤纸，或普通慢速、中速或快速的定量滤纸，比如：皎洁牌中速102型定性滤纸、皎洁牌快速101型定性滤纸、皎洁牌快速201型定量滤纸、皎洁牌慢速103型定性滤纸、皎洁牌慢速203型定量滤纸等等。

12、根据本发明优选的，步骤(2)中所述碱处理的温度为80-90℃；所述碱处理的时间为15-25min，进一步优选为20min。

13、根据本发明优选的，步骤(2)中所述氯化钯水溶液的浓度为0.1-0.3mg/ml；所述氯化钯水溶液的量没有具体限定，完全浸没滤纸即可，可稍过量；所述活化的时间为5-7min。

14、根据本发明优选的，步骤(2)中所述硼氢化钠水溶液的浓度为3-8mg/ml；所述硼氢化钠水溶液的量没有具体限定，完全浸没滤纸即可，可稍过量；所述还原的时间为5-7min。

15、根据本发明优选的，步骤(2)中所述冲洗均为使用超纯水冲洗3-5次。

16、根据本发明，步骤(3)中所述混合溶液的量没有具体限定，完全浸没滤纸即可，可稍过量。

17、根据本发明优选的，步骤(3)中所述反应的温度为80-90℃；所述反应的时间为1-2h。

18、根据本发明优选的，步骤(3)中所述洗涤为使用超纯水冲洗3-5次，所述干燥为在60℃下真空干燥3-4h。

19、本发明还提供了上述制备方法制备得到的nifeco基非晶高熵合金多功能电催化自支撑电极。

20、根据本发明，上述nifeco基非晶高熵合金多功能电催化自支撑电极在电解水中的应用。

21、本发明与现有技术相比具有以下优点：

22、1、本发明利用滤纸作为基底制备自支撑电极，利用其多孔结构和丰富的含氧官能团促进颗粒沉积和分散，防止团聚，提高电催化性能，节约资源，保护环境。

23、2、本发明与粉末状的电催化剂相比，规避了粘结剂的应用，降低能耗。

24、3、本发明选择特定的五种过渡金属制备得到nifeco基非晶高熵合金多功能电催化自支撑电极，利用高熵效应和非晶特性，提高了材料的比表面积，增加了活性位点，降低了电阻，促进了电子的传输，降低了her和oer的过电位，提高了电催化活性。