CN108796394A - 一种阳极析氧催化剂FeMnCoNiP非晶合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功能材料领域，公开了一种阳极析氧催化剂FeMnCoNiP非晶合金及制备方法。制备原料为Fe、Mn、Co、Ni、P粉末，制备方法为机械合金化法。具体如下：将上述金属粉末和非金属粉末按照设定比例称取，在真空手套箱中将称取的粉末装入硬质合金球磨罐中并加入适量分散剂随后密封取出，密封后的球磨罐安装在球磨机上进行合金化球磨，球磨若干小时候后得到的粉末即为阳极析氧催化剂FeMnCoNiP非晶合金。本发明所制备的阳极析氧催化剂FeMnCoNiP非晶合金具有优异的电催化阳极析氧性能，且制备过程仅需一步合成，简单实用。
Description
技术领域
本发明涉及一种电解水反应阳极析氧催化材料的设计与制备技术,属于催化材料制备的技术领域。
背景技术
能源与环境是制约当今世界发展的两大主要问题。开发具有安全、高效、可持续特性的清洁能源是解决能源与环境问题的关键所在。H2作为一种清洁、无污染的可再生能源，具有很高的能量密度，是同时应对能源和环境两大问题的理想选择。电解水是目前工业上制取H2的重要手段，在电解水系统中，电极的阴极和阳极分别同时析出H2和O2。但是阳极析氧反应需要较高的活化极化电位，这成为电解水反应能耗大、效率低的主要原因。在燃料电池、金属空气电池系统中阳极析氧反应同样是关键反应过程，其较高的活化极化电位也制约了上述研究的发展。因此，开发析氧过电位低、稳定性好的阳极催化材料对于电解水制氢和燃料电池等产业具有极其重要的意义。
当前，具有较低析氧过电位的电催化材料主要是贵金属氧化物RuO2、IrO2和RhO2等。然而贵金属氧化物RuO2和IrO2在碱性电介质中的析氧过电位较高，且其在碱性电解质中耐腐蚀性较低、稳定性较差，价格又相当昂贵。过渡族金属Fe、Co、Ni是上述贵金属的同族金属元素，具有与相应贵金属类似的电子结构，且在地壳中的丰度较高，因此过渡族金属Fe、Co、Ni等的合金是潜在的电催化材料。又因为非晶合金具有优异的耐腐蚀性能，所以Fe、Co、Ni为主要成分的非晶合金是极具潜力的阳极析氧催化材料。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种用于阳极析氧催化剂的FeMnCoNiP非晶合金材料的成分设计和制备方法，该成分设计拓展了非晶合金的功能应用，制备方法简单实用，材料的催化效果高效稳定。
技术方案：本发明的第一个方面，提供了一种用于制备电解水反应阳极析氧催化剂FeMnCoNiP非晶合金，该材料成分上为非晶合金，形貌上为亚微米的粉体颗粒。所述的FeMnCoNiP非晶合金材料各个金属组元的含量范围为原子分数20-31％，非金属元素P的含量范围为原子分数5-10％。
本发明的第二个方面，所述的FeMnCoNiP非晶合金材料在电解水反应阳极析氧催化中的应用。所述的FeMnCoNiP非晶合金材料的粒径为亚微米的粉体颗粒，适用于电解水反应的阳极析氧催化剂。
本发明的第三个方面，提供了一种阳极析氧催化剂FeMnCoNiP非晶合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照设定的各组分比例称取Fe、Mn、Co、Ni、P粉末；
(2)将步骤(1)中称取的粉末在真空手套箱的高纯Ar气环境中装入同一个硬质合金球磨罐中，磨球与磨料的质量比为15:1～30:1；
(3)滴入酒精分散剂于步骤(2)中的硬质合金球磨罐中随后密封并取出手套箱；
(4)将步骤(3)中密封的硬质合金球磨罐安装在球磨机上进行合金化球磨；
(5)将步骤(4)中合金化球磨后得到的粉体取出即可得到FeMnCoNiP非晶合金材料。
其中，
在步骤(3)中，滴入的酒精分散剂的体积与硬质合金球磨罐的体积比例为6:1000～12:1000。
在步骤(4)中，球磨转速为300-600r/min。
在步骤(4)中，球磨时间为50-70h。
有益效果：(1)本发明用于制备阳极析氧催化剂FeMnCoNiP非晶合金材料，其原料为Fe、Mn、Co、Ni金属粉末和非金属元素P(红磷)，与现有阳极析氧催化材料如贵金属氧化物RuO2、IrO2和RhO2等相比成本较低，且上述原料在地壳中具有很大的丰度，适合大规模生产。
(2)本发明所制备的阳极析氧催化剂FeMnCoNiP非晶合金材料在成分上具有极大的可调整性，各个组元均可以适当增减比例。以Fe21Mn21Co31Ni21P8和Fe21Mn21Co21Ni31P8为例，在1mol L-1KOH溶液中电流密度为10mAcm-2时其析氧过电位分别为351mV和347mV。
(3)本发明中制备阳极析氧催化剂FeMnCoNiP非晶合金材料的合成方法为机械合金化法，使用该方法合成FeMnCoNiP非晶合金材料仅需要一步合成操作，制备过程简单。
(4)本发明所制备的阳极析氧催化剂FeMnCoNiP非晶合金材料具有较好的耐腐蚀性能。鉴于目前贵金属氧化物RuO2、IrO2和RhO2在碱性电解液中稳定性差，本发明所制备的FeMnCoNiP非晶合金材料可以很好的克服这一缺点。
附图说明
构成本发明的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为一种阳极析氧催化剂Fe21Mn21Co31Ni21P8非晶合金材料的XRD物相分析图谱；
图2为一种阳极析氧催化剂Fe21Mn21Co21Ni31P8非晶合金材料的XRD物相分析图谱；
图3为两种个不同实例成分的阳极析氧催化剂Fe21Mn21Co31Ni21P8和Fe21Mn21Co21Ni31P8非晶合金材料在1mol L-1KOH溶液中的极化曲线(LSV曲线)。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案：
实施例1
(1)按照原子比例31:31:31:31:6分别称取Fe、Mn、Co、Ni、P粉末共计10g；
(2)将步骤(1)中称取的粉末在真空手套箱的高纯Ar气环境中装入一个100ml的硬质合金球磨罐中，磨球与磨料的质量比为15:1；
(3)滴入0.6ml酒精分散剂于步骤(2)中的硬质合金球磨罐中随后密封并取出手套箱；
(4)将步骤(3)中密封的硬质合金球磨罐安装在球磨机上进行合金化球磨，球磨转速为500r/min，球磨时间为50h；
(5)将步骤(4)中合金化球磨后得到的粉体取出即可得到FeMnCoNiP非晶合金材料。
实施例2
(1)按照原子比例21:21:31:21:8分别称取Fe、Mn、Co、Ni、P粉末共计10g；
(2)将步骤(1)中称取的粉末在真空手套箱的高纯Ar气环境中装入一个100ml的硬质合金球磨罐中，磨球与磨料的质量比为20:1；
(3)滴入0.8ml酒精分散剂于步骤(2)中的硬质合金球磨罐中随后密封并取出手套箱；
(4)将步骤(3)中密封的硬质合金球磨罐安装在球磨机上进行合金化球磨，球磨转速为400r/min，球磨时间为60h；
(5)将步骤(4)中合金化球磨后得到的粉体取出即可得到FeMnCoNiP非晶合金材料。
实施例3
(1)按照原子比例21:21:21:31:8分别称取Fe、Mn、Co、Ni、P粉末共计10g；
(2)将步骤(1)中称取的粉末在真空手套箱的高纯Ar气环境中装入一个100ml的硬质合金球磨罐中，磨球与磨料的质量比为25:1；
(3)滴入1ml酒精分散剂于步骤(2)中的硬质合金球磨罐中随后密封并取出手套箱；
(4)将步骤(3)中密封的硬质合金球磨罐安装在球磨机上进行合金化球磨，球磨转速为300r/min，球磨时间为70h；
(5)将步骤(4)中合金化球磨后得到的粉体取出即可得到FeMnCoNiP非晶合金材料。
实施例4
(1)按照原子比例30:20:20:20:10分别称取Fe、Mn、Co、Ni、P粉末共计10g；
(2)将步骤(1)中称取的粉末在真空手套箱的高纯Ar气环境中装入一个100ml的硬质合金球磨罐中，磨球与磨料的质量比为30:1；
(3)滴入1.2ml酒精分散剂于步骤(2)中的硬质合金球磨罐中随后密封并取出手套箱；
(4)将步骤(3)中密封的硬质合金球磨罐安装在球磨机上进行合金化球磨，球磨转速为400r/min，球磨时间为50h；
(5)将步骤(4)中合金化球磨后得到的粉体取出即可得到FeMnCoNiP非晶合金材料。
Claims (6)
1.一种用于阳极析氧催化的FeMnCoNiP非晶合金材料，其成分特征在于：所述的FeMnCoNiP非晶合金材料各个金属组元的含量范围为原子分数20-31％，非金属元素P的含量范围为原子分数5-10％。
2.如权利要求1所述的用于阳极析氧催化的FeMnCoNiP非晶合金材料，其特征在于：所述的FeMnCoNiP非晶合金材料的粒径为亚微米的粉体颗粒，适用于电解水反应的阳极析氧催化剂。
3.一种如权利要求1所述的用于阳极析氧催化的FeMnCoNiP非晶合金材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
(1)按照设定的各组分比例称取Fe、Mn、Co、Ni、P粉末；
(2)将步骤(1)中称取的粉末在真空手套箱的高纯Ar气环境中装入同一个硬质合金球磨罐中，磨球与磨料的质量比为15:1～30:1；
(3)滴入酒精分散剂于步骤(2)中的硬质合金球磨罐中随后密封并取出手套箱；
(4)将步骤(3)中密封的硬质合金球磨罐安装在球磨机上进行合金化球磨；
(5)将步骤(4)中合金化球磨后得到的粉体取出即可得到FeMnCoNiP非晶合金材料。
4.根据权利要求3所述的用于阳极析氧催化的FeMnCoNiP非晶合金材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，滴入的酒精分散剂的体积与硬质合金球磨罐的体积比例为6:1000～12:1000。
5.根据权利要求3所述的用于阳极析氧催化的FeMnCoNiP非晶合金材料的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，球磨转速为300-600r/min。
6.根据权利要求3所述的用于阳极析氧催化的FeMnCoNiP非晶合金材料的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，球磨时间为50-70h。
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