[发明专利]一种纳米多孔非晶态电催化电极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种纳米多孔非晶态电催化电极的制备方法，涉及电化学催化领域。该方法包括以下步骤：步骤一：将金属原料和非金属原料按配比投料，熔融后搅拌均匀，降温得到电催化电极合金；所述金属原料中的金属元素为铁、钴、镍、铜、锌、钛、镁和钼中的一种或多种，所述非金属原料中的非金属元素为硅、磷、氮、硼和碳的一种或多种；步骤二：将步骤一中所得到的合金再次熔融，并进行急冷，得到非晶态电催化电极；步骤三：将步骤二所得到的非晶态电催化电极浸泡在侵蚀剂中，进行反应，得到纳米多孔非晶态电催化电极。本发明制备的纳米多孔非晶态电催化电极的制备具有三维的多孔结构、较高的比表面积、高活性的核壳结构，电催化活性的导电性能优良。

技术领域

本发明涉及新能源材料技术以及电化学催化领域，特别是涉及一种纳米多孔非晶态电催化电极及其制备方法和应用。

背景技术

随着全球变暖问题的加剧，寻求清洁、高效、可持续的非化石新型能源，是解决环境问题和温室气体排放的关键。电化学制氢是一项传统的、可持续化、可规模化的产氢技术。因此，近几年来，高效、低成本制氢催化剂成为全球科学家的研究热点，设计和发展新型的非贵金属电解水催化剂，用以替代铂和铱等活跃的贵金属催化剂，是当前研究的热点议题。

现有的非贵金属催化剂的制备受很多因素的影响，如材料的组成和制备方法等，不同的材料组成和制备方法得到的催化剂的结构和性能大相径庭，如颗粒尺寸、晶化状态、催化剂比表面积、导电性能等无法同时达到高标准，从而降低了催化剂的催化活性。而且，这些催化剂组装后活性低、稳定性差，在产生大量气泡时容易脱落。

发明内容

基于此，有必要针对现有的电催化剂活性低、稳定性差的问题，提供一种纳米多孔非晶态电催化电极的制备方法。

一种纳米多孔非晶态电催化电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将金属原料和非金属原料按配比投料，熔融后搅拌均匀，降温得到电催化电极合金；所述金属原料中的金属元素为铁、钴、镍、铜、锌、钛、镁和钼中的一种或多种，所述非金属原料中的非金属元素为硅、磷、氮、硼和碳的一种或多种；

步骤二：将步骤一中所得到的合金再次熔融，并进行急冷，得到非晶态电催化电极；

步骤三：将步骤二所得到的非晶态电催化电极浸泡在侵蚀剂中，进行反应，得到一体化纳米多孔非晶态电催化电极。

上述纳米多孔非晶态电催化电极的制备方法，通过将金属和非金属进行熔融充分混合，冷却后再次熔融，然后急冷到材料的再结晶温度以下，以致原子呈无序排列的亚稳态非晶结构，由于微观结构下含有大量的不饱和键，在侵蚀剂的作用下容易发生均匀腐蚀。而又由于原子间能量的差异性，适当的侵蚀剂可以造成多孔结构，最终得到纳米多孔非晶态电催化电极。该纳米多孔电催化电极具有三维的多孔结构、较高的比表面积、高活性的核壳结构，有较高的催化活性和导电性，可以同时作为高效的催化载体和集流体；而且采用非贵金属原料降低了成本。这种一体化结构的纳米多孔电催化电极，表面具有三维多孔结构和高活性位点，与现有的纳米催化剂颗粒和导电胶组合电极相比，不需要用到导电胶，避免了纳米催化剂和导电胶组装带来的活性降低，也避免了反应过程中产生大量气泡导致催化剂脱落，从而同时提高了催化剂的电催化活性和稳定性。

在其中一个实施例中，所述金属元素的重量百分数为55％～95％，非金属元素的重量百分数为5％～45％。

在其中一个实施例中，所述金属元素为铁，所述非金属元素为硼，铁和硼的摩尔比为1:0.33～1。

在其中一个实施例中，所述金属元素为铁和镍，所述非金属元素为硼和磷，铁和镍的摩尔比为1:0.25～4，硼和磷的摩尔比为1:1～3，非金属元素的重量百分数为6％～30％。

在其中一个实施例中，所述步骤二中急冷的方式为液相急冷或气相急冷；所述液相急冷的速率大于等于10⁵K/s，所述气相急冷的速率大于等于10⁸K/s。