[发明专利]一种铁钴镍铜基高熵合金电解水催化材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铁钴镍铜基高熵合金电解水催化材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。所述电解水催化材料由反应活性物和载体组成，所述反应活性物铁钴镍铜锡、铁钴镍铜锰、铁钴镍铜钒等铁钴镍铜基高熵合金纳米颗粒，所述载体为静电纺丝法制备的碳纳米纤维材料。本发明制备出的电解水催化材料具有高比表面积，有利于电解液的扩散和气体的脱附，可在碱性条件下产氢和产氧，大电压下产氢速率远高于20％Pt/C电极。同时碳纳米纤维可以有效保护高熵合金纳米颗粒，使其免受电解液的侵蚀，赋予催化材料良好的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种铁钴镍铜基高熵合金电解水催化材料及其制备方法，属于复合材料制备 技术领域。

背景技术

能源是人类生存和文明发展的重要物质基础，石油、煤炭、天然气等化石燃料的日益枯 竭，迫使人们寻找一种储量丰富的可再生新能源。氢能因其燃烧热值高，燃烧产物无污染， 可循环利用等优点，被认为是21世纪最有前途的绿色能源之一，因此，氢能的开发成为新 能源领域研究的热点之一。尽管氢是自然界中最普遍的元素(约占宇宙质量的75％)，但它 主要以化合物的形态贮存于水中，无法直接使用，因此，实现廉价、高效和大规模的制氢途 径是氢能经济发展的前提。

矿物燃料制氢、生物质制氢、光催化制氢和电解水制氢目前制氢的主要方法，其中，电 解水是实现工业化廉价制备氢气的重要手段，而且制备出的H₂和O₂纯度高，转化率接近 100％。但电催化过程能耗较高，因此需要催化剂来降低阴极过电位。更重要的是，传统工业 电催化分解水电极材料主要依赖于贵金属Pt及其氧化物，其价格昂贵、比表面积小、稳定性 差，这就导致电催化制氢工业化进程受到限制。因此，研究和开发低成本、高效率和高稳定 性的电催化分解水电极材料具有非常重要的经济价值和社会意义。

2018年，马里兰大学胡良兵等提出了用碳热冲击法制备五至八元纳米级高熵合金，这种 合金保持着一个单一的固溶体结构，而不是分离成不同的金属间相。在高熵合金中，由于元 素数目众多会使构型熵最大化，从而使合金具有不同寻常的性能。然而碳热冲击法所需要的 条件苛刻且难以批量制备，所以寻找纳米级高熵合金的简易制备方法是目前的难题之一。

静电纺丝法制备的碳纳米纤维膜(CNFs)具有高效稳定、比表面积大、孔隙率高、吸附 性能好等优点。相比于传统方法，以碳纳米纤维为反应容器和负载载体，能够制备出分散好、 粒径均一、单一相的合金纳米颗粒，并且可以作为自支撑电解水催化电极材料。

发明内容

为了克服目前存在的电解水催化材料成本高昂、催化活性低、稳定性差、导电性差等难 题，本发明提供了一种铁钴镍铜基高熵合金电解水催化材料及其制备方法，本发明采用静电 纺丝法和高温气体辅助碳化法制备碳纳米纤维负载铁钴镍铜基高熵合金纳米颗粒，该方法成 本低廉，所得复合材料在碱性条件下都具有较高析氢和析氧活性，且稳定性良好。

本发明的第一个目的是提供一种铁钴镍铜基高熵合金电解水催化材料(FeCoNiCuX HEA/CNFs,X＝Sn,Mn,V,HEA＝High entropy alloy)，所述电解水催化材料由反应活性物和载 体组成，所述反应活性物为铁钴镍铜基合金纳米颗粒，铁钴镍铜基合金纳米颗粒由铁、钴、 镍、铜四种元素和X元素构成，所述X元素为锡、锰、钒中一种或多种元素；所述载体为静 电纺丝法制备的碳纳米纤维材料。

在本发明的一种实施方式中，所述载体上反应活性物的负载量为2-30wt％。

在本发明的一种实施方式中，所述铁钴镍铜基高熵合金纳米颗粒的尺寸为5-100nm。

在本发明的一种实施方式中，所述碳纳米纤维材料的直径为50-600nm。

在本发明的一种实施方式中，所述铁钴镍铜基合金纳米颗粒中铁元素、钴元素、镍元素、 铜元素、X元素的含量均为5-35wt％。