[发明专利]一种提高铁基非晶合金催化析氢性能的方法

说明书

本发明公开了一种提高铁基非晶合金催化析氢性能的方法，涉及电解水催化剂领域。该提高铁基非晶合金催化析氢性能的方法包括如下步骤：(1)采用电化学工作站三电极体系，以铁基非晶合金带材为工作电极，H₂SO₄为电解液，在析氢反应体系中进行循环伏安扫描、活化该铁基非晶合金带材；(2)利用强氧化性溶液浸蚀活化后的铁基非晶合金带材。本发明先通过循环伏安法处理非晶合金带材，显著增大了非晶合金带材的活性比表面积，使铁基非晶合金的析氢过电位明显降低，有效解决了带材活性比表面积小的问题；然后通过HNO₃溶液浸蚀活化后的非晶合金带材，使其表面钝化，克服了铁基非晶催化剂在酸性条件下易腐蚀的问题，提高了催化剂长期有效工作的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种提高铁基非晶合金催化析氢性能的方法，属于电解水制氢催化剂技术领域。

背景技术

随着经济发展所带来的能源危机以及环境污染问题，氢气，作为一种清洁、高效、可再生能源，极具发展前景。电解水是生产高纯度氢，发展可持续能源的重要途径，水电解由阴极析氢(HER)和阳极析氧(OER)两个半反应构成，但由于动力学阻碍，驱动水分解制氢往往耗能大、效率低，因此需要开发电解水催化剂来降低能耗，提高能量转化率。

目前商用催化剂主要是贵金属Pt、Ir或其氧化物，但是价格昂贵且储量稀缺，所以亟待开发低成本且高效的非贵金属催化剂。过渡金属，以Fe、Co、Ni为主，由于具有不完全填充的d轨道而具有较高的催化活性，有望替代贵金属催化剂。现有研究主要集中于一系列过渡金属的硫化物、磷化物、碳化物以及氮化物。相比于过渡金属晶态催化剂，非晶合金不仅反应活性位点多，而且耐腐蚀性能佳；相比于粉末催化剂，熔体旋淬法所制备的韧性非晶带材还可自支撑，直接用作电极，更适合工业应用。所以非晶合金，尤其带状非晶，成为一种具有发展前途的催化材料。

近年来，非贵金属基非晶合金催化剂的研究主要围绕于镍基合金、铁基合金，通常镍基合金适合在碱性环境下工作，而铁基合金在酸性环境下具有更佳的析氢催化活性。铁不仅储量丰富、成本低，而且非晶态铁合金成分多样，但因在酸性条件下易腐蚀，所以极大的限制了铁基非晶作为析氢催化剂的应用。通过贵金属元素如Pd、Pt掺杂可改善催化剂的稳定性，但也增加了成本。

根据目前铁基非晶合金作为析氢电极材料的报道发现，铁基非晶合金析氢催化活性也有待进一步提升。如公开号为CN 107217219 A的中国专利申请公开了一种用于高效析氢反应的Fe-Co-P-C系非晶电催化剂及其制备方法，该专利通过熔体旋淬法制备的Fe₄₀Co₄₀P₁₃C₇非晶合金带材，在电流密度为10mA cm^-2时，酸性析氢过电位为124mV。公开号为CN 109023161 A的中国专利申请公开了一种Fe-Ni-P-C系非晶合金电催化剂及其制备方法和应用，成分为Fe₇₀Ni₁₀P₁₃C₇的非晶合金带材性能最佳，在电流密度为10mA cm^-2时，酸性析氢过电位为120mV。虽然上述催化剂的成本均显著降低了，但过电位仍明显高于商用催化剂Pt/C(37mV)，这主要归因于非晶带材本身活性比表面积较小，不具备粗糙或纳米多孔表面暴露多活性位点的优势。

由上可知，铁基非晶合金作为析氢电极材料仍存在不少挑战。基于此，进一步提升可自支撑铁基非晶合金电催化活性，克服铁基非晶催化剂在酸性条件下稳定性差的问题，提供一种提高铁基非晶合金催化析氢性能的方法，对非晶合金带材在催化电解水方面的应用具有重要意义。

发明内容

发明目的：针对现有铁基非晶合金带材活性比表面积较小、铁基非晶催化剂在酸性条件下稳定性差的问题，本发明提供一种提高铁基非晶合金催化析氢性能的方法。

技术方案：本发明所述的一种提高铁基非晶合金催化析氢性能的方法，包括如下步骤：