[发明专利]一种非晶态电催化电极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种非晶态电催化电极的制备方法，涉及新能源材料以及电化学催化领域。该方法包括以下步骤：步骤一：将金属原料和非金属原料按配比投料，熔融后搅拌均匀，降温得到电催化电极合金；步骤二：将步骤一中所得到的合金再次熔融，并进行急冷，得到非晶态电催化电极。本发明的方法能够简单、高效地制备非晶体电催化电极，该非晶体电催化电极具有亚稳态结构，具有高密度活性位、高效转导电子的能力，本发明的非晶态电催化电极可以应用于电解水装备中，具有高效、环保的优点。

技术领域

本发明涉及新能源材料以及电化学催化领域，特别是涉及非晶态电催化电极及其制备方法和应用。

背景技术

环境问题是人类社会发展必须面临的重大问题，而发展清洁高效可持续的非化石新型能源是解决这一问题的重要手段。可再生能源转化和储存装置，如电解水电池、燃料电池、或锂电池，是近年来的研究热点，而电催化电极的氧气析出反应(OER)在其中发挥着举足轻重的作用。提高电催化电极活性位的本征活性以及活性位数量是研究电催化电极的重要方向。

技术的发展和应用的瓶颈在于：现有的催化剂大多是纳米结构，随着电催化活性位点数量不断提高，电催化剂在OER中表面形成的氧化膜，提高了材料颗粒的表面电阻，当电催化剂在三维空间上堆叠时，材料颗粒之间的串联电阻降低了电子传导能力，削弱了活性位点上获得电子的能力。如何在提高活性位数量时，维持高效本征活性的性能，是电催化剂材料在设计与制备过程中面临的重大挑战。

发明内容

基于此，有必要针对现有的电催化电极材料在提高活性位数量时，无法维持本征活性的性能的技术问题，提供一种非晶态电催化电极及其制备方法。

一种非晶态电催化电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将金属原料和非金属原料按配比投料，熔融后搅拌均匀，降温得到电催化电极合金；

步骤二：将步骤一中所得到的合金再次熔融，并进行急冷，得到非晶态电催化电极。

上述制备方法，通过均匀混合金属原料和非金属原料制备成合金，并再次将合金升温熔融，然后急冷到材料的再结晶温度以下，所制备的非晶合金，其原子呈现长程无序排列，富余悬空价键。这种亚稳态结构的非晶合金，具有高密度活性位以及优异的导电性能。

在其中一个实施例中，所述急冷的方式为液相急冷或气相急冷。

在其中一个实施例中，所述液相急冷的速率大于等于10⁵K/s，液相急冷具有快速、稳定、高效的优点。

在其中一个实施例中，所述气相急冷的速率大于等于10⁸K/s，气相急冷的冷却速度非常高，制备得到的电催化电极材料的具有有效的非晶体结构。

在其中一个实施例中，所述金属原料为金属单质或与非金属元素组成的金属化合物，所述非金属原料为非金属单质。

在其中一个实施例中，所述金属元素的重量百分数为55％～95％，非金属元素的重量百分数为5％～45％。按此配比得到的电催化电极不仅具有很好非晶态结构，还具有很好的金属性，导电性能优良。

在其中一个实施例中，所述金属元素为铁，所述非金属元素为硼，铁和硼的摩尔比为1:0.33～1。铁和磷获取成本低，形成的电催化电极表面活性高、活性位点数量多，具有较高的电催化产氢效率。

在其中一个实施例中，所述金属元素为铁和镍，所述非金属元素为硼和磷，铁和镍的摩尔比为1:0.25～4，硼和磷的摩尔比为1:1～3，非金属元素的重量百分数为6％～30％。铁、镍、硼、磷获取成本低，形成的电催化电极表面活性高、活性位点数量多，具有较高的电催化产氢效率。

一种采用以上方法制备的非晶态电催化电极。