[发明专利]一种结构有序的高熵金属间化合物、其制备方法和作为燃料电池阴极催化剂的应用

说明书

本发明属于燃料电池阴极催化剂领域，涉及一种结构有序的高熵合金催化剂、其制备方法和作为氢燃料电池阴极催化剂的应用。所述高熵金属间化合物包含：Pt、Ir、Fe、Co、Cu五种金属元素；所述高熵金属间化合物中，Pt原子、Ir原子、Fe原子、Co原子和Cu原子所占的原子百分比均为5％～45％。本发明还公开了该负载型高熵金属间化合物纳米颗粒材料的制备方法，制备方法简单，成本低廉。本发明还公开了阴极材料中包含该材料的氢燃料电池。该材料组分可控、电催化性能优越、稳定性强，非常适合于作为氢燃料电池的阴极材料，在氢燃料电池方面有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于燃料电池阴极催化剂领域，涉及一种结构有序的高熵合金催化剂、其制备方法和作为氢燃料电池阴极催化剂的应用。

背景技术

氢燃料电池的能量转化效率高，产物零污染，易操作、便于携带，因而在当前备受关注。国内外正逐渐加大氢燃料电池车的研发力度，并已开始批量生产和运营使用，助力实现“双碳目标”。然而，目前氢燃料电池阴极催化剂仍主要依赖贵金属铂，铂昂贵的价格和较差的循环稳定性，严重限制氢燃料电池车的大规模商业化应用[Nature,2012,486,43]。尽管大量的催化剂已被报道，但仍难满足氢燃料电池车实际应用的需求[Nat.Commun.2019,10,4514]。因此，开发高活性、低成本、高稳定性、真正可实际应用的新型催化剂在当前具有重要意义。

高熵合金具有可调控的组分、可优化的电子结构、以及优异的结构稳定性，因而高熵合金具有成为足够先进催化剂的潜力[J.Am.Chem.Soc.2021,143, 17117]。然而，高熵合金催化剂的研究最近几年才刚刚起步，目前仍处于初始阶段，特别是将结构有序的高熵合金(高熵金属间化合物)作为氢燃料电池催化剂的研究还很少被报道。

为了解决以上问题，提出本发明。

发明内容

本发明制备了一种可作为氢燃料电池阴极催化剂的高熵金属间化合物及包含其的催化材料，并获得了优异的氧还原反应和实际氢燃料电池测试性能，具有较高的实际应用价值。

本发明第一方面提供一种结构有序的高熵金属间化合物，所述高熵金属间化合物包含：Pt、Ir、Fe、Co、Cu五种金属元素；

所述高熵金属间化合物中，Pt原子、Ir原子、Fe原子、Co原子和Cu原子所占的原子百分比均为5％～45％。

优选地，所述高熵金属间化合物中贵金属原子与非贵金属原子呈有规则的排布。

优选地，所述高熵金属间化合物颗粒的尺寸为2～12纳米。即所述高熵金属间化合物以纳米颗粒形式存在。

本发明第二方面提供第一方面所述的结构有序的高熵金属间化合物的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤a、将水溶性铂盐、水溶性铱盐、水溶性铁盐、水溶性钴盐、水溶性铜盐置于容器中，加入被保护气饱和的酸性水溶液，混合；

步骤b、将还原剂水溶液加入到步骤a得到的溶液中，反应8～24h生成结构无序的高熵合金纳米颗粒；

步骤c、将步骤b得到的结构无序的高熵合金纳米颗粒置于还原性气氛下的管式炉中，在650-1000摄氏度下煅烧，即得到所述高熵金属间化合物。

优选地，步骤a中，所述还原剂水溶液选自硼氢化钠水溶液或水合肼水溶液。

本发明第三方面提供一种结构有序的高熵金属间化合物催化材料，所述催化材料包含：

碳载体；

在所述碳载体上生长的权利要求1所述的高熵金属间化合物的纳米颗粒。

优选地，所述碳载体选自科琴黑或XC-72导电碳载体。

优选地，所述催化材料颗粒的尺寸为2～12纳米。