[发明专利]一种用于全pH析氢反应的FeCoNi-MnRu高熵合金/碳纳米纤维电催化材料

说明书

本发明公开了一种用于全pH析氢反应的FeCoNi‑MnRu高熵合金/碳纳米纤维电催化材料，属于电催化材料制备领域。本发明将铁盐、钴盐、镍盐、锰盐、钌盐和纳米纤维前驱体分散于溶剂中，获得纺丝液；然后通过静电纺丝，制得纳米纤维膜；再将所得纳米纤维膜进行煅烧预氧化，在惰性气体氛围下煅烧碳化，即得FeCoNi‑MnRu/CNFs电催化材料。本发明通过静电纺丝和高温煅烧制备出了具有fcc单相结构的固溶体纳米颗粒，其中五种金属元素均匀分布，降低了贵金属的用量，大大降低了成本，并且实验方法简单具有可重复性。电催化材料在全pH条件下同时具有十分优异的电催化析氢活能和耐久性，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明具体涉及一种用于全pH析氢反应的FeCoNi-MnRu高熵合金/碳纳米纤维电催化材料，属于电催化材料制备领域。

背景技术

对化石能源的严重依赖所导致的能源危机和环境污染问题已经不容忽视，可再生能源(如太阳能、风能和潮汐能等)的开发和利用也因此受到广泛关注。其中，氢气因其清洁、高能量密度和可再生等特点而被视为理想的能量载体。以水为原料的电解水制氢则是一种可以可持续生产高纯度氢气的理想途径，然而过电位的存在降低了能量转化的效率，限制了电解水制氢的发展。因此，实际生产中必须采用高效的电催化剂来降剂过电位。目前析氢反应和析氧反应最高效的催化剂分别为Pt基电催化剂和贵金属氧化物(RuO₂和IrO₂)，但贵金属的高成本和低储量仍然阻碍了电解水制氢的大规模应用。因此，十分有必要开发低成本高活性的新型电催化剂。

高熵合金是指至少含五种主元素的单相固溶体，且每种元素的含量处于5～35at.％之间。构型熵的最大化使高熵合金显示出优异的物理化学和机械性能，如耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性等。高熵合金纳米材料在电催化领域的应用尚属起步阶段，得益于高熵效应(成分数量增加)、晶格畸变、优异的稳定性和组分的可调节性，该材料具有优良的催化活性和优异的耐久性，显示出巨大的发展潜力.但对高熵合金卓越电催化性能的来源、电催化机理以及性能调控的研究仍然较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于全pH析氢反应的FeCoNi-MnRu高熵合金/碳纳米纤维电催化材料及制备方法，本发明通过静电纺丝和高温煅烧制备出了高熵合金/碳纳米纤维复合材料及其一系列低/中熵对比样，研究了金属元素组分数对纳米晶结构和电催化性能的影响。结果表明，煅烧过程中，Ru趋于向纤维表面扩散，形成纳米团簇或单原子，并最终从表面脱离，而过渡金属的引入可以阻碍Ru的扩散与损失，将Ru均匀稳定地分散在固溶体纳米颗粒中。本发明制备得到的FeCoNi-MnRu/CNFs在全pH下均表现出优异的HER性能，并且在碱性介质中具有卓越的HER耐久性。

为了实现高熵合金/碳纳米纤维复合材料电解水活性的可控调节，优化其电催化性能，本发明还探究了金属元素种类对其催化活性的影响。实验发现，当FeCoNi-XRu/CNFs中X为Mn时显示出最优异的电催化性能。

本发明的第一个目的是提供一种用于全pH析氢反应的FeCoNi-MnRu高熵合金/碳纳米纤维电催化材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将铁盐、钴盐、镍盐、锰盐、钌盐和纳米纤维前驱体分散于溶剂中，获得纺丝液；然后通过静电纺丝，制得纳米纤维膜；

(2)将步骤(1)所得纳米纤维膜进行煅烧预氧化，然后在惰性气体氛围下煅烧碳化，即得FeCoNi-MnRu/CNFs电催化材料。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的纳米纤维前驱体包括聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇的一种或多种。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的纺丝液中纳米纤维前驱体的质量分数为6～20wt.％。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的铁盐为氯化铁、硝酸铁和乙酰丙酮铁的一种或多种。