一种多孔多元金属化合物电催化析氢材料的制备方法及其应用

本发明属于电催化材料，具体涉及一种多孔多元金属化合物电催化析氢材料的制备方法及其应用。

背景技术：

1、随着全球对石油需求的增加，二氧化碳排放也变得越来越严重。这不仅会引发能源危机，还会对生态和经济造成严重影响。氢能是可持续能源系统中除核燃料外燃烧热值最高的绿色清洁能源。为了实现到2050年二氧化碳净零排放的目标，电催化水分解法由于其丰富的原料来源、高效、环保和高纯度，已被证明是一种主要的制氢技术。然而，这种制氢技术受到高电力成本的限制，因为它需要高电池电压来驱动实际反应中的电解水分解。因此，探索高效稳定的析氢反应电催化剂势在必行。

2、pt和其他贵金属被广泛认为是具有低过电位和高催化性能的基准电催化剂。但它们的稀缺性、高成本和长期不稳定性限制了其在电化学水分解制氢中的应用。因此，迫切需要开发更高效、富含稀土、更坚固的her电催化剂，作为工业应用中稀有金属的有前途的替代品。

3、目前，人们已经进行了大量的研究来寻找一种高活性、稳定且具有成本效益的her电催化剂。单金属过渡金属(fe、co、ni、cu、mo等)的活性提高遇到了难以突破的瓶颈，而这些元素的合金可以通过改变电子结构来提高her的催化活性，以最小的能垒实现所需的催化过渡态。(angewandte chemie international edition,51(2012)12495-12498；acsapplied energy materials,4(2021)7579-7588)不同元素在固溶体中的混合程度几乎可以任意变化，所得合金具有与母体金属相同的物理性能。

4、与固溶体不同，金属间化合物不是随机分布的，而是排列在特定的位置，从而产生与原始金属具有不同和有序晶体结构的金属间化合物。金属间化合物可以通过配位/应变效应调节其对催化反应中中间产物的吸附能，从而增强其固有的催化活性。(advancedmaterials,32(2020)2000385)具有空的或半填充的d轨道的过渡金属与具有更多填充轨道的金属的组合在催化剂表面上产生协同效应，用于非均相反应，如her。(chemical science,12(2021)8603-8631；science,320(2008)1320-1322)此外，由于金属间化合物在其结构中不同类型的原子之间具有丰富的界面，因此还可以调节各种中间产物在其中的非均相表面原子上的吸附/解吸，从而优化其催化性能。(chemical science,12(2021)8603-8631；acs catalysis,9(2019)2018-2062)

5、同样重要的是，金属间her催化剂可以满足催化剂耐久性的基本要求，因为它们在金属组分之间具有强烈的离子/共价相互作用。到目前为止，已经研究了nio/al3ni2、(acsapplied energy materials,(2019))al7cu4ni、(advanced functional materials,28(2018)1706127)和al3ni(chemical engineering journal,427(2022)131743)的her性能，但它们的her催化活性有待提高。

6、对于her性能，np-co7mo6、(nature communications,13(2022)5157)moni4、(nature communications,8(2017)15437)和mo(nifeco)4/ni(advanced functionalmaterials,33(2023)2214412)表现出高活性和相对长的循环寿命。尽管金属间化合物作为her催化剂有几个优点，但它们在电催化水分解中的应用仍处于初级阶段，尚未取得突破，它们作为水分解电催化剂的优势尚未得到充分探索。[16]

7、因此，有必要研发一种具有电催化活性高、性能稳定的电催化析氢材料。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的问题，发明了一种易于实现的制备一种多孔多元金属化合物电催化析氢材料的方法，并展示其良好的耐腐蚀性。

2、为实现上述技术实现要素：，本发明采用一下技术方案来实现：

3、一种多孔多元金属化合物电催化析氢材料的制备方法包括以下步骤：

4、(1)按一定质量比称取镍、铁、铜、铝、钼等金属颗粒，混合；

5、(2)将得到的金属混合物在保护气气氛下电弧熔化，将得到的多元合金化合物重熔三次以上；

6、(3)待铸态合金锭子冷却后把多元合金化合物按照一定尺寸进行切割并抛光；

7、(4)将制备的样品在一定温度、一定浓度的酸或碱溶液中，在不同时间下进行化学去合金化处理，制备出多元金属化合物复合催化剂；

8、(5)用去离子水冲洗三次或三次以上以消除残留的化学试剂，得到一种多孔多元金属化合物电催化析氢材料。

9、作为上述技术方案的优选，本发明提供的的制备方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：

10、步骤(1)称取镍、铁、铜、铝、钼等金属颗粒的质量比为2：2：2：5：5～2。

11、步骤(2)中所述保护气气氛为氩气气氛，电弧熔化温度为1200℃以上，熔化时间为1—3h。

12、步骤(4)中所述去合金化温度为25～100℃。

13、步骤(4)中所述酸或碱溶液浓度为0.1～3mol/l硝酸水溶液。

14、本发明提供的一种多孔多元金属化合物电催化析氢材料，其有益效果在于：

15、与现有催化剂相比，本发明所述的一种多元合金化合物催化剂结构具有显著的稳定性和耐腐蚀性，可以进行长期稳定性测试，本发明所述一种多元合金化合物催化剂材料在去合金化3h后电化学性能达到最高。

技术特征：

1.一种多孔多元金属化合物电催化析氢材料的制备方法，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述多孔多元金属化合物电催化析氢材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述保护气氛为高纯氩气气氛，电弧熔化温度为1200℃以上，熔炼时间为1～3h。

3.根据权利要求1所述一种多孔多元金属化合物电催化析氢材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中多元合金化合物为纯度高于99.9％的理论原子比的多元金属化合物。

4.根据权利要求1所述一种多孔多元金属化合物电催化析氢材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述多元金属化合物切割尺寸为10mm×5mm×1mm。

5.根据权利要求1所述一种多孔多元金属化合物电催化析氢材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述去合金化温度为25～100℃。

6.根据权利要求1所述一种多孔多元金属化合物电催化析氢材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述浓度为0.1～3mol/l酸溶液或者浓度为0.1～3mol/l碱溶液。

7.根据权利要求1所述一种多孔多元金属化合物电催化析氢材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述去合金化时间为0-5h。

8.根据权利要求1所述一种多孔多元金属化合物电催化析氢材料在电催化应用中具有显著的稳定性和耐腐蚀性，可以进行长期稳定性测试。

技术总结本发明涉及一种多孔多元金属化合物电催化析氢材料的制备方法及其应用；通过电弧熔炼和去合金方法制备了多孔多元金属化合物析氢电催化剂；所述的多元合金化合物的组分通过改变成分、去合金化时间可以获得多孔多元金属化合物材料；此多孔多元金属化合物块体可以作为电催化析氢电极，具有优异的电催化析氢性能；该方法对实验设备要求低，可大规模制备，具有很好地应用前景；此外，本方法还可以扩展到与其他多孔电极制备，应用于析氢、析氧、吸附等领域。技术研发人员：吉希希,王海林,叶鑫,万遥,陈佩琳,仝永刚,庞小通,王力,赵妞,姚梓欣受保护的技术使用者：长沙理工大学技术研发日：技术公布日：2024/4/24