[发明专利]一种FeCoNiCuMn纳米高熵合金电催化剂的制备及应用

说明书

本发明公开了一种纳米高熵合金电催化剂以及其制备方法，该材料是由三维多孔泡沫铜基底以及负载在三维基底泡沫铜上的FeCoNiCuMn高熵合金纳米颗粒所组成；制备方法：(a)将各种硫酸盐称取加入一定量的去离子水配成溶液，并且先后加入少量的柠檬酸和硼酸，搅拌至澄清溶液备用；(b)泡沫铜在盐酸溶液中浸泡后依次用乙醇和去离子水清洗；(c)电沉积制备高熵合金粒子；(d)将所制备的高熵合金催化剂作为工作电极，进行电化学性能测试；本发明的纳米高熵合金颗粒的直径为5‑20nm，催化氧气析出在100mA cm^‑2的电流密度下的过电位是270‑300mV(vs RHE)。

技术领域

本发明涉及高熵合金纳米颗粒的制备以及在电催化剂领域的应用。

背景技术

化石能源的过度使用导致环境污染恶劣，人们渴望寻求一种绿色能源在解决能源危机的同时减少对环境的污染。为了解决这一问题，各国科研人员投入了大量的精力研发可再生无污染能源，其中电解水析氢被认为是一种最有望替代化石能源的技术。电解水涉及两个半反应，阳极析出氧气和阴极析出氢气。其中阳极析氧反应是一个四电子反应，反应速率缓慢严重影响了阴极析氢的速率，为了解决这一问题，需要在反应时添加催化剂以加快反应速率。其中贵金属催化剂RuO₂、IrO₂和Pt等可以很好地提高催化速率，但是这些贵金属催化剂的成本高昂并且地球储量有限无法大规模使用，严重限制了工业应用。因此，开发成本低和催化效率高的催化剂成为目前的热点。

在众多的元素中过渡金属元素因其自身的储量丰富、成本低，吸引了科研人员的注意。目前，人们发现合成过渡金属合金催化剂具有较好的催化性能，但作为工业电解水催化剂还远不够。为了更好的适应于工业发展，人们期望合成过渡金属高熵合金电催化剂以获得优秀的性能满足工业应用。过渡金属高熵合金的优点在于成本低廉，元素种类多，导致晶格畸变形成丰富的活性位点。

然而在最近高熵合金催化剂的报道中发现，尺寸是调控催化剂性能的一个关键因素；同时，现阶段所报道的大部分高熵合金催化剂无法在高电流密度下表现出优秀的性能。

为了解决以上问题，提出本发明。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于提升析氧反应速率的纳米高熵合金电催化剂FeCoNiCuMn的制备方法，所述纳米高熵合金纳米颗粒的直径为5-20nm，为面心立方晶系，通过电沉积负载在泡沫铜上形成的。

三维多孔的泡沫铜基底的作用一方面是提高催化剂的负载面积，提供丰富的活性位点以及活性面积，并且有效防止高熵合金因团聚问题而导致性能的衰减，提高催化剂的稳定性。另一方面多孔的泡沫铜材料可以提高催化剂的导电性，多孔结构有利于反应物和产物的传输，提高高熵合金电催化剂的催化活性。

本发明主要是高熵合金的制备和应用，为了实现这一目的，本发明提供一种技术方案，包括以下步骤：

步骤1，泡沫铜基底的清洗：

将泡沫铜剪成1×1cm²的方块，在1M盐酸溶液中浸泡10min，之后用乙醇溶液以及去离子水超声清洗，清洗后置于60℃烘箱中烘干备用。

步骤2，配制电解液：

将0.1M的硫酸亚铁、硫酸钴、硫酸镍、硫酸铜、硫酸锰的混合溶液，加入0.02M 的柠檬酸、0.65M的硼酸和0.085M的L-抗坏血酸溶解于去离子水中，配置成FeCoNiCuMn电沉积溶液；

步骤3，电沉积制备高熵合金纳米颗粒：

通过电沉积的方法合成高熵合金纳米颗粒，在4-8V的电压范围内进行电化学还原沉积，以石墨电极为阳极，泡沫铜为阴极；沉积完成后，用乙醇反复冲洗三次；

步骤4，烘干：

将冲洗后的样品放在50℃的烘箱中烘干，得到高熵合金纳米颗粒电催化剂。