[发明专利]一种具有电氧化催化性能的磁性纳米多孔Fe-Pt合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种具有电氧化催化性能的磁性纳米多孔Fe-Pt合金 的制备方法。

背景技术

纳米多孔金属是指孔径尺寸在纳米量级，具有三维双连续多孔结构的金属材料。纳米多 孔金属兼具多孔材料、金属材料和纳米材料的特征，具有低密度、高比表面积、良好的导电、 导热性和强的纳米尺寸效应等优异的物理化学性能，在催化、传感、生物医疗和新能源等领 域具有巨大的应用潜力。

脱合金化又称去合金化，是目前高效制备纳米多孔金属的方法之一，具体指通过化学或 电化学的方式选择性溶解去除合金中的活泼组元，剩余惰性组元通过扩散自组织形成纳米多 孔结构的过程。通过脱合金化法制备纳米多孔金属的原始合金(即前驱体合金)多为连续固 溶体合金，且要求前驱体合金的成分和微观组织结构足够均匀，合金各组元间存在较大的电 极电位差，以及惰性组元在合金/电解液界面具有足够快的扩散速度。

非晶合金中化学成分分布均匀，微观结构均匀性也远高于晶体合金，可以避免出现晶体 合金材料普遍具有的晶界、位错和偏聚等限制纳米多孔材料制备效果的因素。而且，结合对 非晶合金成分和脱合金化工艺参数的调整可以相对容易调控纳米多孔金属的孔径尺寸和孔壁 厚度，制备出孔径尺寸可控的纳米多孔金属材料。因此，非晶合金是一类适用于制备纳米多 孔金属的前驱体材料。Yu等人报道了利用非晶条带经脱合金化可成功制备纳米多孔Pd【Yuet al,ChemMater,20(2010):4548】；中国发明专利CN102943187A公开了一种采用Cu-Hf-Al非 晶合金制备纳米多孔Cu的制备方法；本专利申请人与合作者以非晶合金作为前驱体，通过 脱合金化法成功制备了具有良好催化活性和电化学稳定性的Au-Pd纳米多孔合金【Langetal, JPhysChemC,114(2010):2600】。

目前，在质子交换膜燃料电池中使用的阳极催化剂多采用负载型Pt/C纳米颗粒催化剂， 但该催化剂在实际应用过程中易发生CO中毒、催化活性不足，且Pt的利用率较低。研究人 员先后通过对Pt-Cu连续合金、Pt-Si和Pt-Al薄膜合金脱合金化制备出了纳米多孔Pt，或者 通过对Fe-Pt-Al合金的二次脱合金化制备出纳米多孔FePt合金。这些纳米多孔合金均表现出 良好的催化特性，有望代替颗粒催化剂。但是由于在Pt-Cu合金的脱合金化过程中Pt原子在 合金/电解液界面的扩散速度较低，所获纳米多孔Pt合金的孔径较小，需要通过随后的退火处 理来调整孔径尺寸；薄膜合金的制备工艺要求严苛，生产效率低；Fe-Pt-Al合金的脱合金化 工艺繁琐且脱合金化后的纳米多孔金属材料的形貌不易控制，存在易碎、易开裂等缺陷，严 重阻碍了其在催化领域的实用化。针对目前已有Pt基催化剂的不足，开发出具有优异催化特 性，且制备工艺简单高效的Pt基纳米多孔金属合金是十分必要的。

发明内容

针对目前已有Pt基催化剂的不足以及制备Pt基纳米多孔金属的复杂工艺，本发明提供 了一种基于非晶合金脱合金化的具有良好电氧化催化性能的磁性纳米多孔Fe-Pt合金的制备 方法。本发明利用Fe-Pt-(B,Si)系合金良好的非晶形成能力，通过单辊甩带或单辊甩带+热处 理工艺制备出具有非晶或非晶+纳米晶结构的前驱体合金条带，再利用脱合金化工艺，以前驱 体合金为工作电极，在室温酸性环境中选择性腐蚀掉合金中的Fe、B和/或Si等活泼元素， 获得孔径均匀的磁性纳米多孔Fe-Pt合金，孔径和孔壁厚度大小可以通过合金成分和脱合金 化工艺参数的调整分别控制在3～18nm，5～22nm范围内。获得的磁性Fe-Pt纳米多孔合金在 酸性溶液中对甲醇等物质的电氧化反应具有良好的催化活性和抗CO中毒能力。

本发明所采用的技术方案是：以Fe-Pt-(B,Si)系非晶或非晶+纳米晶合金条带作为前驱体 合金，采用电化学脱合金化工艺，在室温酸性环境下，以前驱体合金作为工作电极制备具有 电氧化催化性能的纳米多孔Fe-Pt合金，具体包括以下步骤：

第一步，制备Fe-Pt-(B,Si)系非晶前驱体合金条带：