一种多孔碳纳米管支撑高熵合金及其制备方法和应用与流程

本发明属于电化学催化剂，具体涉及一种多孔碳纳米管支撑高熵合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、析氧反应(oer)是电化学水分解的关键过程，由于oer析氧反应是四电子转移过程，其机理非常复杂，反应动力学缓慢，因此过电位高，这是限制电解水效率的关键因素。

2、由于高过电位和缓慢的动力学减缓了析氧反应的发生速率，所以析氧反应中催化剂的使用对提高析氧反应的发生速率至关重要。传统的催化剂主要是由贵金属(比如iro2)制备而成，因高成本和环境问题使用受限，而且贵金属的稀缺性导致其无法广泛应用。

3、现目前，作为贵金属的替代品的高熵合金(heas)展现出oer所需的稳定性和多样的催化位点。这些高熵合金提供了独特的属性组合(包括其多样化的元素组成)，从而具有较强的催化活性和稳定性。

4、因此，开发一种具有较强催化活性和稳定性的高熵合金是有必要的。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明目的就是提供一种多孔碳纳米管支撑高熵合金，该多孔碳纳米管支撑高熵合金使用多壁碳纳米管作为高熵合金的支撑材料，形成多孔纳米花网络催化剂，显著增加了表面积并改善了电化学催化活性。

2、为了达到上述目的，本发明可以采用以下技术方案：

3、本发明一方面提供一种多孔碳纳米管支撑高熵合金，其为多孔纳米花网络结构；且铁、铝、镍、钴和锰元素形成的纳米片结构均匀地分布在多壁碳纳米管的表面上；且多孔碳纳米管支撑高熵合金的平均孔径为10nm-11nm，平均孔容0.25cm3/g-0.3cm3/g，比表面积为50m2/g-54m2/g，双层电容有效表面积为6.2mf/cm2-6.5mf/cm2，塔菲尔斜率为46mv/dec-47mv/dec。

4、本发明另一方面再提供一种多孔碳纳米管支撑高熵合金的制备方法，其包括：(1)将多壁碳纳米管分散液与混合金属盐混合得混合液，混合金属盐由硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴、硝酸锰和硝酸铝组合而成；(2)将混合液、尿素和氟化氨混合得反应前驱体溶液；(3)将反应前驱体溶液在110℃-150℃下水热反应得多孔碳纳米管支撑高熵合金。

5、优选地，上述多壁碳纳米管分散液中的多壁碳纳米管可以为氧化后多壁碳纳米管。

6、优选地，上述混合金属盐与尿素的摩尔比例可以为(5.8-6.2):1，混合金属盐与nh4f的摩尔比例可以为(2.3-2.7):1。

7、优选地，上述混合液中，硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴、硝酸锰和硝酸铝的摩尔浓度可以为0.5mmol/l-1mmol/l。

8、优选地，上述混合金属盐中，硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴、硝酸锰和硝酸铝可以等摩尔量。

9、优选地，上述多壁碳纳米管与混合金属盐的质量比例可以为1:(50-80)。

10、优选地，上述水热反应的时间可以为10h-18h。

11、优选地，上述制备方法还可以包括纯化步骤，纯化步骤包括：使用洗涤剂对水热反应制得的多孔碳纳米管支撑高熵合金进行洗涤，接着在真空干燥箱中40℃-60℃，真空干燥10h-15h。

12、本发明再一方面提供一种上述的多孔碳纳米管支撑高熵合金或上述的多孔碳纳米管支撑高熵合金的制备方法制备的多孔碳纳米管支撑高熵合金作为催化剂在电解水析氧反应中的应用。

13、本发明有益效果至少包括：

14、(1)本发明提供的多孔碳纳米管支撑高熵合金(fealnicomn-he-ldh/cnt)的比表面积可以达到52.40m2/g以上，优于没有碳纳米管支撑的高熵合金，可以尽可能多的提供更多电化学催化活性位点，提高了催化剂的活性。

15、(2)本发明提供的多孔碳纳米管支撑高熵合金具有较低的过电势，低于没有碳纳米管支撑的高熵合金(fealnicomn-he-ldh)和贵金属析氧催化剂二氧化铱iro2；电流密度增幅最低，低于iro2和fealnicomn-he-ldh和，说明fealnicomn-he-ldh/cnt具有显著的析氧效率。

16、(3)本发明提供的多孔碳纳米管支撑高熵合金具有较小的塔菲尔斜率(46.65mv/dec)，具有较强的oer活性，具有较大的双层电容有效表面积(6.21mf/cm2)以及具有最快的电子转移反应速度，即其具有较强的电催化活性。

17、(4)本发明提供的多孔碳纳米管支撑高熵合金具有优异的稳定性，在150macm-2的极高电流密度下，其电催化性能在约240小时的超长持续时间内保持良好。

18、(5)本发明提供的多孔碳纳米管支撑高熵合金的制备方法使用水热合成方法，在150℃及以下即可进行，避免了传统方法的高温，降低了能源消耗。

技术特征：

1.一种多孔碳纳米管支撑高熵合金，其特征在于，其为多孔纳米花网络结构；且铁、铝、镍、钴和锰元素形成的纳米片结构均匀地分布在多壁碳纳米管的表面上；且多孔碳纳米管支撑高熵合金的平均孔径为10nm-11nm，平均孔容0.25cm3/g-0.3cm3/g，比表面积为50m2/g-54m2/g，双层电容有效表面积为6.2mf/cm2-6.5mf/cm2，塔菲尔斜率为46mv/dec-47mv/dec。

2.根据权利要求1所述的多孔碳纳米管支撑高熵合金的制备方法，其特征在于，包括：(1)将多壁碳纳米管分散液与混合金属盐混合得混合液，混合金属盐由硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴、硝酸锰和硝酸铝组合而成；(2)将混合液、尿素和氟化氨混合得反应前驱体溶液；(3)将反应前驱体溶液在110℃-150℃下水热反应得多孔碳纳米管支撑高熵合金。

3.根据权利要求1所述的多孔碳纳米管支撑高熵合金的制备方法，其特征在于，多壁碳纳米管分散液中的多壁碳纳米管为氧化后多壁碳纳米管。

4.根据权利要求2或3所述的多孔碳纳米管支撑高熵合金的制备方法，其特征在于，混合金属盐与尿素的摩尔比例可以为(5.8-6.2):1，混合金属盐与nh4f的摩尔比例可以为(2.3-2.7):1。

5.根据权利要求2或3所述的多孔碳纳米管支撑高熵合金的制备方法，其特征在于，混合液中，硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴、硝酸锰和硝酸铝的摩尔浓度为0.5mmol/l-1mmol/l。

6.根据权利要求5所述的多孔碳纳米管支撑高熵合金的制备方法，其特征在于，混合金属盐中，硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴、硝酸锰和硝酸铝等摩尔量。

7.根据权利要求2、3或6所述的多孔碳纳米管支撑高熵合金的制备方法，其特征在于，多壁碳纳米管与混合金属盐的质量比例为1:(50-80)。

8.根据权利要求2、3或6所述的多孔碳纳米管支撑高熵合金的制备方法，其特征在于，水热反应的时间为10h-18h。

9.根据权利要求2、3或6所述的多孔碳纳米管支撑高熵合金的制备方法，其特征在于，还包括纯化步骤，纯化步骤包括：使用洗涤剂对水热反应制得的多孔碳纳米管支撑高熵合金进行洗涤，接着在真空干燥箱中40℃-60℃，真空干燥10h-15h。

10.权利要求1所述的多孔碳纳米管支撑高熵合金或权利要求2至9所述的多孔碳纳米管支撑高熵合金的制备方法制备的多孔碳纳米管支撑高熵合金作为催化剂在电解水析氧反应中的应用。

技术总结本发明属于电化学催化剂技术领域，具体涉及一种多孔碳纳米管支撑高熵合金及其制备方法和应用。该多孔碳纳米管支撑高熵合金为多孔纳米花网络结构；且铁、铝、镍、钴和锰元素形成的纳米片结构均匀地分布在多壁碳纳米管的表面上；且多孔碳纳米管支撑高熵合金的平均孔径为10nm‑11nm，平均孔容0.25cm<supgt;3</supgt;/g‑0.3cm<supgt;3</supgt;/g，比表面积为50m<supgt;2</supgt;/g‑54m<supgt;2</supgt;/g，双层电容有效表面积为6.2mF/cm<supgt;2</supgt;‑6.5mF/cm<supgt;2</supgt;，塔菲尔斜率为46mV/dec‑47mV/dec。其较现有的催化剂和高熵合金相比，具有更小的塔菲尔斜率，具有更强的OER活性，具有更大的双层电容有效表面积以及具有更快的电子转移反应速度，即其具有更强的电催化性能。技术研发人员：左勇,苗新元,杨壮志,王绪斌受保护的技术使用者：重庆工港致慧增材制造技术研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/2