一种析氢催化剂及其制备方法和在电解水中的应用

本发明涉及电催化剂，特别是涉及一种析氢催化剂及其制备方法和在电解水中的应用。

背景技术：

1、目前，传统化石燃料的消耗以及其相关的环境污染和日益严重的环境迫使研究人员探索清洁、高效和可持续的能源。由于氢气具有高能量密度、环境友好、自然资源丰富的特点，是一种很有前途的存储运输燃料能源载体。而目前制取氢气的主要方法有：热化学法制氢、工业副产氢提纯制氢、水电解制氢和光催化分解水制氢等。其中，太阳能光催化分解水和电解水被认为是低成本而且无污染的制氢方法，而电解水相比于光解水过程具有更大的优势，其效率更高，工艺更成熟，对环境的要求更低。因此，电解水制氢在新能源领域受到了广泛的关注。电解水是一种可持续且高效获取氢能的方法，有望在短期内实现对化石燃料的替代。

2、在电催化水分解过程中，催化剂起着至关重要的作用，直接影响了反应的过点位和催化反应速度，从而决定了生产的能耗成本和生产效率。为降低电催化反应的过点位和提升催化反应速率。目前贵金属析氢反应的应用较为广泛，科学家们选择了不同的催化剂进行了尝试。实验结果表明，电催化析氢反应中，铂基材料具有最好的催化效果。由于铂、铱和钌在地壳中含量稀少、价格昂贵，其工业化应用的成本较高。因此，寻找低成本电催化材料，成为了电催化材料研究的核心问题。

3、大部分制作电解水催化剂制备方法是水热法，因工艺较为简单不需要高温处理即可得到晶型完整、粒度分布均匀、分散性良好的产品，所以大家都选用此方法，但是该方法设备成本高、工艺条件苛刻、反应产物不易分离纯化、容易出现副反应和产物不稳定以及对反应物有限制等问题，并且运用的原料都是昂贵的金属和稀土材料，价格昂贵并且原料稀缺，成为目前所面临的一大问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种析氢催化剂及其制备方法和在电解水中的应用，解决了现有技术中析氢催化剂制备条件苛刻，价格昂贵的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种析氢催化剂的制备方法，以fe基材料为原料，通过熔炼与去合金化腐蚀工艺制得析氢催化剂，具体包括以下步骤：

3、s1按照fexbysiz的原子比称取fe基材料作为原料，其中50atom％≤x≤95atom％，1atom％≤y≤40atom％，1atom％≤z≤40atom％；本发明的析氢催化剂fexbysiz中存在fesi和feb两相，这两相在后续碱性溶液去合金化腐蚀的过程，速率存在差异，会营造较大的化学活性面积，并且fesi被腐蚀速率小于feb，剩下的feb相，其中的fe与b成键，会减弱fe的向氧性，从而降低对溶液中oh-的吸附强度，提升析氢反应性能。

4、s2将原料进行电弧熔炼或感应熔炼，熔炼成圆形锭子；

5、s3将熔炼成的圆形锭子通过线切割机切割成金属片；

6、s4将金属片于碱性溶液中进行腐蚀，得到纳米片层结构的析氢催化剂。

7、优选的，s1中fe基材料包括fesi、feb、fe中的一种或多种。本发明所采用的fe基材料均为低成本材料，解决了现有技术原料稀缺昂贵的问题。

8、优选的，s1中称取使用精密电子分析天平称料。

9、再优选的，电弧熔炼的磁搅拌电流的范围为0.1～10a，熔炼电流的范围为0.01～10ka；感应熔炼的磁搅拌电流的范围为0.1～10a，熔炼电流的范围为0.1～200a。本发明通过改变磁搅拌电流和熔炼电流的大小，能够改变fesib各相之间的分布情况，可以根据不同应用场景的要求，进行针对性设计。

10、优选的，s4中碱性溶液为koh、naoh、ca(oh)2、nh3·h2o、nahco3、na2co3、ca(hco3)2溶液中的一种或多种，碱性溶液的浓度为0.1～8mol/l，腐蚀时间为0.1～72h。本发明通过选用上述碱性溶液，并将碱性溶液控制在上述浓度范围，调节fe、fesi、feb被腐蚀的速率差，以获得最大的比表面积和最多的电化学活性位点。

11、一种析氢催化剂的制备方法制得的析氢催化剂，析氢催化剂为纳米片层结构的fexbysiz催化剂。

12、一种析氢催化剂的应用，应用于电化学电解水处理装置中。

13、优选的，电解水处理装置包括阴极和阳极，阴极中包括上述析氢催化剂。

14、本发明的有益效果：

15、(1)本发明中以fe基为原料制备析氢催化剂，所用的fe基材料fe、fesi、feb，均为低成本材料，解决了当前电催化剂成本高，材料稀缺的问题；

16、(2)本发明中通过去合金化腐蚀工艺去掉非金属元素，使表面具有纳米片形貌，获得高表面积，还利用了si和b与koh反应速率的不同，b溶解速率更慢，在纳米片中保留了少量的b，为fe向b的电子转移提供了可能性，fe与b成键，会减弱fe的向氧性，从而降低对溶液中oh-的吸附强度，提升析氢反应性能，进而提高催化剂的活性和催化效率；

17、(3)本发明中通过电弧熔炼或感应熔炼的方式来制备，因为熔化固体炉料的能力强，而且铁液是在熔渣覆盖条件下进行过热和调整化学成分的，因此在一定程度上能避免铁液吸气和元素的氧化，通过去合金化腐蚀工艺使析氢催化剂样品达到贵金属材料的性能，并通过控制去合金化腐蚀工艺中碱性溶液的浓度和腐蚀时间，使得样品达到最佳的去合金化，提高了析氢催化剂的电催化性能。

18、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种析氢催化剂的制备方法，其特征在于：以fe基材料为原料，通过熔炼与去合金化腐蚀工艺制得析氢催化剂，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种析氢催化剂的制备方法，其特征在于：s1中fe基材料包括fesi、feb、fe中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种析氢催化剂的制备方法，其特征在于：s1中称取使用精密电子分析天平称料。

4.根据权利要求1所述的一种析氢催化剂的制备方法，其特征在于：s2中电弧熔炼的磁搅拌电流的范围为0.1～10a，熔炼电流的范围为0.01～10ka；感应熔炼的磁搅拌电流的范围为0.1～10a，熔炼电流的范围为0.1～200a。

5.根据权利要求1所述的一种析氢催化剂的制备方法，其特征在于：s4中碱性溶液为koh、naoh、ca(oh)2、nh3·h2o、nahco3、na2co3、ca(hco3)2溶液中的一种或多种，碱性溶液的浓度为0.1～8mol/l，腐蚀时间为0.1～72h。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的一种析氢催化剂的制备方法制得的析氢催化剂，其特征在于：析氢催化剂为纳米片层结构的fexbysiz催化剂。

7.一种如权利要求6所述的一种析氢催化剂的应用，其特征在于：应用于电化学电解水处理装置中。

8.根据权利要求7所述的一种析氢催化剂的应用，其特征在于：电解水处理装置包括阴极和阳极，阴极包括权利要求6的析氢催化剂。

技术总结本发明涉及电催化剂技术领域，特别是涉及一种析氢催化剂及其制备方法和在电解水中的应用，以Fe基材料为原料，通过电弧熔炼或感应熔炼与去合金化腐蚀工艺制得析氢催化剂。本发明采用上述技术方案，解决了现有技术中析氢催化剂制备条件苛刻，价格昂贵的问题。技术研发人员：李佳,崔喆,钟思成,田光润,周仲鸿,焦鸿飞,赵荣达,相珺,伍复发受保护的技术使用者：辽宁工业大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27