[发明专利]一种Ni-Fe-Mo-Cu多孔材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Ni‑Fe‑Mo‑Cu多孔材料的制备方法。本发明将粒度为3~10µm的Ni、Fe、Mo、Cu四种高纯元素粉末按质量百分比为15~35%Fe、1~8%Mo、1~7%Cu、Ni为余量的比例混合均匀、干燥后，掺硬脂酸后压制成型获得生坯，利用固相偏扩散的原理对生坯进行真空烧结制备Ni‑Fe‑Mo‑Cu多孔材料。本发明制得的多孔材料孔隙丰富且分布均匀，具有较高的比表面积和机械强度、较低的析氢过电位、相对优良的抗腐蚀性能和化学稳定性，其制备工艺简单环保，在电解析氢和工业过滤领域有潜在的应用价值，产生重要的意义。

技术领域

本发明涉及一种多孔材料的制备技术，特别是涉及一种可用于电解析氢和工业过滤领域的Ni-Fe-Mo-Cu多孔材料的制备方法。

背景技术

随着全球人口的激增及经济的发展，能源已被视为人类社会发展最基础的需求。氢能源由于其能量密度高，清洁且无污染，可以替代化石燃料，从而有利于能源的循环利用而备受青睐。目前常见的氢气制备方法有电解水制氢、生物制氢、光催化制氢和化石燃料制氢等，比较成熟的工艺为化石能源燃料重整制氢，但流程繁琐、能耗大、原料昂贵、产率低等因素限制了氢气的大规模生产与利用。电解水制氢具有操作简便、成本低廉和无污染等无可比拟的优点，被认为是一种最有发展前景的制氢技术。因此，设计与制备高效稳定的电极材料对氢能的开发利用具有重要的意义。

多孔材料为电解析氢的重要材料，一方面由于多孔材料具有较大的比表面积，其实际电解催化效应高，从而可以降低电解析氢所需要的能源消耗，另一方面可以通过添加不同的元素来改善多孔材料的本征电解催化能力。因此，多孔材料在电解析氢领域中有着不可取代的地位。根据Engel-Brewer价键理论，由d电子数小于d轨道数（有空的或半充满的d轨道）的过渡系左边金属（如W，Mo，La）与d电子数大于d轨道数（有成对的d电子）的过渡系右边金属（如Fe，Co，Ni）形成的合金，将对析氢反应产生电催化协同作用。过渡金属 Ni 是良好的析氢阴极材料。首先，过渡金属 Ni 的价电子层排布为3d⁸4s²，具有未成对的3d电子，在析氢电催化反应中，能够与氢原子1s轨道配对，形成强度适中的Ni-H吸附键，兼具优异的析氢催化性能和价格优势，因而被公认为贵金属理想的替换材料。科学家们发现，在镍中加入不同的合金元素可以使得合金的析氢催化活性得到提高。合金元素的加入可以因为金属间的协同效应或者原子间结合力的改变使得活性元素的电子层状态发生改变，进而提高其电解水析氢催化性能。Ni的d轨道电子为3d⁸，Fe为3d⁶，Mo为4d⁵，Cu为3d¹⁰，Cu原子可以向Ni原子的半空d轨道提供d电子，使得两种元素之间可以形成良好的金属间的协同电催化作用。同时，Cu元素的加入改变了合金表面的形貌，使得合金的真实比表面积大大增加，增加了析氢反应的活化中心。Fe、Mo、Cu原子与Ni原子之间的协同作用使得Ni-Fe-Mo-Cu合金在析氢过程中具有适中的吸附和脱附性能，从而具有优异的催化活性。此外，利用Fe、Mo、Cu的偏扩散，可生成一定数量的孔隙，提高材料的真实表面积，进一步优化析氢活性。因此，利用偏扩散原理制备具有较强催化活性和较大真实表面积的Ni-Fe-Mo-Cu多孔材料，可解决水制氢技术存在的催化效率低和制备成本高的问题。

本发明正是基于此而提出采用元素粉末反应合成法制备Ni-Fe-Mo-Cu多孔材料。该材料孔隙丰富且分布均匀，具有较高的比表面积和机械强度、较低的析氢过电位、相对优良的抗腐蚀性能和化学稳定性，其制备工艺简单环保，在电解析氢和工业过滤领域有潜在的应用价值，并将带来巨大的经济效益。

发明内容

本发明为电解析氢和工业过滤提供一种有效的多孔材料，其孔隙丰富且分布均匀，比表面积大，机械强度高，电催化活性大，抗腐蚀性能和化学稳定性优良，可解决水制氢技术存在的催化效率低、耐腐蚀性不好、析氢不稳定和制备成本高的问题，克服工业过滤领域过滤效率低、力学性能差和稳定性差和维护成本高的问题。