[发明专利]一种纳米多孔高熵合金电极及其制备方法和应用

说明书

本发明属于高熵合金在催化、储能应用技术领域，尤其涉及一种纳米多孔高熵合金催化电极及其制备方法及其在双功能催化水裂解产氢和产氧方面的应用。本纳米多孔高熵合金催化电极包括以下组分按物质的量百分比组成：Ni：15％‑50％；过渡金属A：5％‑20％；Mo：15％‑50％；过渡金属B：5％‑25％；Mn：5％‑40％；其中过渡金属A为Fe或Cu，过渡金属B为Co、Ti或W中的一种；该合金电极为多孔结构，孔径分布在2‑500nm，比表面积为10‑80m²/g。本合金电极的优势在于：1)三维多孔自支撑，无需任何支撑体和粘结剂；2)比表面积大，导电性良好；3)非贵金属多孔高熵电极材料结构简单，原料含量丰富，价格低廉，且制备条件可控；4)优越的催化性能。

技术领域

本发明属于高熵合金在催化、储能应用技术领域，尤其涉及一种纳米多孔高熵合金催化电极及其制备方法及其在双功能催化水裂解产氢和产氧方面的应用。

背景技术

用太阳能、风能及水能等无污染的间歇性能源转化为可控、可运输的氢能作为当前最有望解决能源危机和环境污染的新型能源之一而被广泛关注。但传统的电解水制氢的槽电压远高于水的理论分解电压(1.23V)耗能巨大、效率低下，且铂类贵金属和铱、钌基氧化物等有效的催化电极储量稀少，成本高，无法规模化应用。因此，迫切需要开发新型高效的非贵金属催化剂是促进氢能规模化应用的根本。近年来，为降低成本，提高效率，一系列催化电极材料被的研发应用。例如，过渡金属合金掺杂及其磷化物、碳化物、二硫化钼类等高效催化水电解产氢催化电极材料(E.J.Popczun，J.R.McKone，C.G.Read，A.J.Biacchi，A.M.Wiltrout，N.S.Lewis，R.E.Schaak，J.Am.Chem.Soc.135(2013)9267e9270)；及磷化钴、过渡金属氧化物和氢氧化物等催化水电解产氧催化电极材料(J.-X.Feng，H.Xu，Y.-T.Dong，S.-H.Ye，Y.-X.Tong，G.-R.Li，Angew.Chem.128(2016)3758e3762)。

但关系到结构简单，性能独特的高熵合金是否具有高效催化储能方面的性能，还未见相关报道。高熵合金作为上世纪90年代提出的一种全新的合金设计理念，没有传统合金中主要元素的概念，体现出多种元素的集体效应。由于高混合熵效应，组元均倾向于混乱排列，从而形成简单固溶体，其衍生的独特性能有晶格畸变较大，扩散缓慢，相稳定性等。这些结构特性使得高熵合金具有极大的应用潜力，目前高熵合金的研究主要集中在力学性能上。因此，我们提出一种催化电解水的自支撑纳米多孔高熵合金催化电极及其制备方法及其在双功能催化水裂解产氢和产氧方面的应用。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种原料廉价易得、三维多孔自支撑、导电性良好、催化性能稳定的纳米多孔高熵合金催化电极。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种纳米多孔高熵合金催化电极，该合金电极包括以下组分按物质的量百分比组成：Ni：15％-50％；过渡金属A：5％-20％；Mo：15％-50％；过渡金属B：5％-25％；Mn：5％-40％；其中过渡金属A为Fe或Cu，过渡金属B为Co、Ti或W中的一种；该合金电极为三维多孔结构，孔径分布在2-500nm，比表面积为10-80m²/g。

本发明的优点和积极效果是：本纳米多孔高熵合金1)三维多孔自支撑，无需任何支撑体和粘结剂；2)孔径可通过控制脱合金化的条件进行调节，比表面积大，导电性良好；3)非贵金属多孔高熵电极材料结构简单，原料含量丰富，价格低廉，且制备条件可控；4)产氢中在电流密度为100mA/cm2和200mA/cm2过电位分别为118mV和214mV；产氧中在电流密度为10mA/cm2和100mA/cm2过电位分别为258mV和396mV；显示出较优越的催化性能。原材料的广泛性以及大电流高稳定性，极大促进了应用的广泛性和电能转化为化学能的能源转化效率，是一种新型高效的双功能催化电极。