一种基于脱合金制备用于高效析氧反应的Fe基多孔催化材料的方法与流程

一种基于脱合金制备用于高效析氧反应的fe基多孔催化材料的方法
技术领域
1.本发明属于电催化材料领域，具体涉及一种基于脱合金制备用于高效析氧反应的fe基多孔催化材料的方法。


背景技术：

2.在人类社会发展过程中，能源是必要基础。作为一次能源的煤炭、石油和天然气等燃料，其氧化产物会造成严重的温室效应，不仅仅会造成全球气温的整体上升，更会破坏整个生态系统的平衡。氢气作为一种清洁、可再生能源，有望替代化石燃料成为一种理想的能源载体。水电解产生氢气是一种获取氢能源的有效方法。析氧反应作为电催化水解反应的一个重要半反应，是当今人们研究的热点。在实际生活中，基于贵金属的pt、ruo2、iro2催化剂由于高效的催化效果已经在生活中得到应用，但是又因昂贵的价格限制了它广泛的应用。因此寻找高效稳定并且廉价的电催化剂是电解水反应的关键。
3.目前，基于过渡族元素(fe、ni、co)的金属催化剂，因价格比较便宜、在地球上的储量比较丰富、制备过程相对简单并且催化活性较高的优势，逐渐成为新型电催化剂比较热门的研究对象，很有可能会替代昂贵的贵金属催化剂。除此之外，新型催化材料过渡金属磷化物也在催化领域崭露头角，其有着比过渡金属碳化物更胜一筹的出色的催化性能，如cop、ni2p、fep在电解水的过程都表现出优异的催化制氢性能。在目前电解水催化剂的探究中，大多数催化剂都是晶体合金催化剂，最近有研究表明，非晶合金催化剂有着比晶体合金催化剂更加优秀的催化活性，并且其同样具有耐腐蚀并兼具超导电性、高强度等优点，这些优点也为其在酸碱电解液中催化电解水过程奠定了基础。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于脱合金制备用于高效析氧反应的fe基多孔催化材料的方法，从而解决现有电催化剂电流密度低、过电位高、稳定性差的问题。
5.本发明为实现目的，采用如下技术方案：
6.一种基于脱合金制备用于高效析氧反应的fe基多孔催化材料的方法，其特点在于：对fe基非晶合金带材进行电化学脱合金处理，从而获得用于高效析氧反应的fe基多孔催化材料。
7.进一步地，所述fe基非晶合金带材的各元素按照原子百分数的成分构成为：fe
80
‑
x
‑
y
ni
x
co
y
p
20
‑
z
c
z
，0≤x≤80、0≤y≤80，0≤z≤20，优选为fe
40
ni
40
p
13
c7。
8.进一步地，所述fe基非晶合金带材的厚度范围为10
‑
60μm。
9.进一步地，所述电化学脱合金处理的方法为：
10.首先将fe基非晶合金带材加入到0.5m h2so4电解液中，在常温下，测试tafel曲线，从而确定脱合金电位；
11.然后施加所确定的脱合金电位，在0.5m h2so4电解液中对带材进行脱合金，从而获
得fe基多孔催化材料。
12.进一步地，脱合金时间控制在60min～24h。
13.本发明的有益效果体现在：
14.本发明的fe
‑
ni
‑
co
‑
p
‑
c系多孔材料具有可控的比表面积，且导电性好、活性位点多、电催化活性高，是良好的析氧反应电催化剂，具有广泛商业化应用前景。
附图说明
15.图1为实施例1不同脱合金时间所得fe
40
ni
40
p
13
c7多孔材料的sem图，其中(a)～(d)所对应的脱合金时间分别为20min、40min、60min、12h。
16.图2为实施例1不同脱合金时间所得fe
40
ni
40
p
13
c7多孔材料在1m koh电解液中的线性扫描伏安法性能曲线。
17.图3为实施例1不同脱合金时间所得fe
40
ni
40
p
13
c7多孔材料的tafel斜率图。
具体实施方式
18.下述实施例的fe
‑
ni
‑
co
‑
p
‑
c系非晶合金带材采用熔体旋淬法制备，所用设备型号为：wk，北京物科，中国。
19.下述实施例所得fe
‑
ni
‑
co
‑
p
‑
c系非晶合金带材的多孔形貌特性采用日立su8020的扫描电子显微镜检测。
20.下述实施例所得fe
‑
ni
‑
co
‑
p
‑
c系非晶合金带材的电催化活性采用电化学工作站获得，所用设备型号为：chi 760e，上海晨华，中国。
21.实施例1
22.本实施例首先按如下步骤制备fe
40
ni
40
p
13
c7带材：
23.步骤1、原材料的处理
24.取fe、ni、fe
‑
25％p、c，其中fe、ni通过机械打磨、除油、酸洗，除去表面的氧化物和油脂物质。
25.步骤2、母合金锭的制备
26.按照名义成分fe
40
ni
40
p
13
c7，将处理后的各原料进行配料，然后在高纯氩气保护下，用真空电弧熔炼炉熔炼，得到母合金铸锭。
27.步骤3、高真空甩带
28.利用感应加热的方式将步骤2制得的母合金铸锭熔化，然后通过熔体旋淬法，得到铁基非晶合金fe
40
ni
40
p
13
c7带材。
29.本实施例利用上述的fe
40
ni
40
p
13
c7带材，按如下方法获得fe
40
ni
40
p
13
c7多孔催化材料：
30.首先将fe
40
ni
40
p
13
c7带材加入到0.5m h2so4电解液中，在25℃下，测试tafel曲线，从而确定其合适的脱合金电位为
‑
0.5v。
31.然后施加所确定的脱合金电位，在0.5m h2so4电解液中对带材进行脱合金，从而获得具有孔道结构的fe
40
ni
40
p
13
c7纳米多孔催化材料。控制脱合金时间分别为20min、40min、60min、12h。
32.图1为不同脱合金时间所得fe
40
ni
40
p
13
c7多孔材料的sem图，其中(a)～(d)所对应
的脱合金时间分别为20min、40min、60min、12h。从图中可以看出：在脱合金60min前，都只是出现凹坑，尚未出现多孔结构。在电脱合金12h后，fe
40
ni
40
p
13
c7非晶合金样品出现多孔结构。
33.在微波功率100w条件下，将本实施例所得的各fe
40
ni
40
p
13
c7多孔材料在丙酮中超声30分钟，然后依次用去离子水和无水乙醇洗涤、真空干燥箱干燥，得到表面清洁的测试样；将所得测试样用于电解水(析氧反应)电催化反应，进行电化学活性测试：将测试样夹在对应的电极夹上，采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为1m koh溶液，在扫描速率为100mv/s的扫速下测量，线性扫描伏安法性能曲线如图2所示。结果表明在电流密度为10ma cm
‑2时，脱合金时间为20m in、40min、60min和12h的fe
40
ni
40
p
13
c7多孔材料样品的oer过电势分别为324mv、295mv、265mv和255mv，合金体系的oer过电势随着脱合金时间的增加而减小，脱合金12h所得fe
40
ni
40
p
13
c7材料的过电势最小。而按照相同的方法测试未进行脱合金处理的fe
40
ni
40
p
13
c7带材的oer过电势为350mv，可见脱合金后材料的性能有巨大的提升。图3是通过对lsv曲线图进行处理获得的tafel斜率图，脱合金12h所得fe
40
ni
40
p
13
c7多孔材料的tafel斜率最小，表明在反应过程中电子的传输速度也更快，证实了其具有更好的oer催化活性。
34.以上仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。