CN110358985A

CN110358985A - 一种提高Fe-Co-P-C系非晶合金电催化性能的方法

Info

Publication number: CN110358985A
Application number: CN201910772940.5A
Authority: CN
Inventors: 张博; 梅林�; 陈鑫; 张黎明; 蒋伟; 张发宝
Original assignee: Hefei Polytechnic University
Current assignee: Hefei University of Technology; Hefei Polytechnic University
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2019-10-22

Abstract

本发明公开了一种提高Fe‑Co‑P‑C系非晶合金电催化性能的方法，该Fe‑Co‑P‑C系非晶合金的成分为Fe₄₀Co₄₀P_20‑xC_x，通过调整合金中C元素的原子百分比，即在0≤x≤20的范围内调整x的值，以提高Fe‑Co‑P‑C系非晶合金作为析氢反应电催化剂的电催化性能。本发明的方法，可以极大的提高Fe‑Co‑P‑C系非晶合金的电催化性能，对于提高资源的利用率有很大的作用。

Description

一种提高Fe-Co-P-C系非晶合金电催化性能的方法

技术领域

本发明属于非晶态合金领域，具体涉及一种提高Fe-Co-P-C系非晶合金电催化性能的方法。

背景技术

随着全球能源的需求增大以及人类对友好环境的追求，相比于储存有限的传统化石燃料来说寻找可再生的清洁能源是当前社会发展的关键问题。氢气作为二次能源以及清洁无污染、燃烧热值高、易储存等优点，被视为最为理想的能源载体。在众多的工业制氢方法中，电解水制氢法有很大的价值，在电解水制氢法中催化剂起着至关重要的作用，它能够加快反应进行、提高原料价值，同时减少废物的产生。

在研究电催化剂的早期，人们发现贵金属如Pt、Pd等有非常好的催化活性，但由于贵金属高昂的成本因此限制了其在工业上的广泛应用。近年来人们发现过渡金属Fe、Co、Ni及其氮化物、硼化物、碳化物等在析氢反应电催化方面有很好的表现。

与晶态合金相比，非晶态合金因其特殊的组织结构(长程无序，结构多孔而不存在位错等晶体缺陷、成分均匀等)，使其具有优异稳定性和高的催化活性，因而被大家认为是一种潜在的催化剂。近年来人们发现Fe-Co-P-C系非晶合金带材在较宽的成分范围内表现出优异的玻璃化形成能力以及良好的电催化活性，是良好的析氢反应电催化剂。但合金成分的改变对其性能的影响是非常显著的。已报道的Fe-Co-P-C系非晶合金成分中，性能最优的为Fe₄₀Co₄₀P₁₃C₇非晶合金带材，其电流密度达到10mA cm^-2时的过电位为118mV，仍然过大。因此，提高Fe-Co-P-C系非晶合金电催化剂性能对提高资源的利用率有很重要的意义。

发明内容

本发明的目的是探究出一种提高Fe-Co-P-C系非晶合金电催化性能的方法，从而获得性能最优的Fe-Co-P-C系非晶合金，以提高资源的利用率。

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

一种提高Fe-Co-P-C系非晶合金电催化性能的方法，其特点在于：所述Fe-Co-P-C系非晶合金的成分为Fe₄₀Co₄₀P_20-xC_x，其中x为非晶合金中C元素的原子百分比，0≤x≤20；

通过调整合金中C元素的原子百分比，即在0≤x≤20的范围内调整x的值，以提高Fe-Co-P-C系非晶合金作为析氢反应电催化剂的电催化性能。

进一步地，所述Fe-Co-P-C系非晶合金的成分为Fe₄₀Co₄₀P₉C₁₁或Fe₄₀Co₄₀P₇C₁₃。本发明通过系统实验，筛选出的Fe₄₀Co₄₀P₉C₁₁和Fe₄₀Co₄₀P₇C₁₃两种合金成分，表现出非常优异的电催化性能，相比于现有已公开成分，性能显著提高。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明的方法，可以极大的提高Fe-Co-P-C系非晶合金的电催化性能，对于提高资源的利用率有很大的作用。

2、本发明的方法还可以提高了Fe-Co-P-C系非晶合金电催化剂的玻璃形成能力。

附图说明

图1为实施例1所得Fe-Co-P-C系非晶合金带材的X射线衍射图谱；

图2为实施例1所得Fe-Co-P-C系非晶合金带材的DSC曲线；

图3为实施例1所得Fe-Co-P-C系非晶合金带材在0.5mol/L H₂SO₄电解液中的线性扫描伏安法性能曲线。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

下述实施例的Fe-Co-P-C系非晶合金带材采用熔体旋淬法制备，所用设备型号为：WK，北京物科，中国。

下述实施例所得Fe-Co-P-C系非晶合金带材的非晶特性采用X射线衍射法(XRD)检测，所用设备型号为：X'Pert Pro MPD X射线衍射仪，帕纳科(Panalytical)，荷兰。

下述实施例所得Fe-Co-P-C系非晶合金带材的电催化活性采用电化学工作站获得，所用设备型号为：CHI760E，上海辰华，中国。

下述实施例中Fe-Co-P-C系非晶合金带材的制备方法如下：

(1)原材料的处理

以纯度不低于99.90wt.％的Fe、Co金属单质，纯度不低于99.00wt.％的C粉、纯度为28.00wt.％磷铁作为原料；

通过机械打磨、除油、酸洗除去Fe、Co金属单质表面的氧化物和油脂物质，保证原材料表面无其他杂质；

(2)母合金锭的制备

按照预定配比，将处理后的Fe、Co金属单质和磷铁、C粉进行混合配料，将原料置于真空电弧炉中，抽真空后通入纯度为99.99％的氩气，通过电弧熔炼将原材料制成母合金锭。为了保证合金成分的均匀性，母合金在炉内反复熔炼4次以上，在每次熔炼过程中尽量慢的熔炼磷铁和碳粉，防止温度过高导致原材料挥发。

(3)高真空甩带

将母合金锭放入真空感应炉内进行二次熔炼，抽真空后通入纯度为99.99％的氩气，调节喷射压力，通过缓慢增加感应电流，待合金完全融化后，将熔融态合金通过喷嘴喷至旋转的水冷铜辊上，通过急速冷却制备成100％非晶组织的Fe-Co-P-C系非晶合金带材。制备非晶合金带材的主要工艺参数为：感应电流缓慢增加至40A；熔融态合金喷到水冷铜辊上的压力1.0MPa；喷嘴到水冷铜辊的间距为0.5mm；水冷却铜辊的转速为2000r/min；制备的非晶合金带材厚度为25±5μm、宽度为2±0.5mm。

实施例1

本实施例按上述工艺方法制备了一系列不同组分的Fe-Co-P-C系非晶合金带材，并进行了下述表征与测试：

1、将所得非晶合金带材放入X射线衍射仪，分析其晶体结构，得到XRD图谱。图1为本实施例所得部分组分Fe-Co-P-C系非晶合金带材的X射线衍射图谱，从图中可以看出非晶合金的XRD谱线上仅存在唯一的宽而弥散的宽峰，没有看到明显与晶体相对应的衍射峰存在，这是非晶合金的典型特征，可以初步断定这些合金带材为非晶态组织。

2、将所得非晶合金带材放入DSC仪器装置中，利用差示扫描量热法分析材料的热稳定性，得到其DSC曲线。图2为本实施例所得部分组分Fe-Co-P-C系非晶合金带材的DSC曲线，从图中可以看出非晶合金带材的DSC图谱上出现了明显的放热峰，这是非晶组织晶化的表现，可以断定这些合金带材为完全非晶态组织。

3、在微波功率100W条件下，将本实施例所得的非晶合金带材在丙酮中超声30分钟，然后依次用去离子水和无水乙醇洗涤、真空干燥箱干燥得到表面清洁的测试样。将所得测试样用于电解水(析氢反应)电催化反应，进行电化学活性测试：将测试样夹在对应的电极夹上，采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为0.5M H₂SO₄溶液，在扫描速率为5mV/s的扫速下测量。图3为本实施例所得部分组分Fe-Co-P-C系非晶合金带材的LSV曲线，从图中可以看出Fe₄₀Co₄₀P₁₅C₅、Fe₄₀Co₄₀P₁₃C₇、Fe₄₀Co₄₀P₁₁C₉、Fe₄₀Co₄₀P₉C₁₁、Fe₄₀Co₄₀P₇C₁₃非晶合金带材在电流密度为10mA/cm²时的过电位分别为126mV、120mV、102mV、81mV、88mV，均表现出较好的析氢性能，其中Fe₄₀Co₄₀P₉C₁₁电极性能最佳，其在电流密度为10mA/cm²时的过电位为81mV。

由上可知，合金成分的改变对其性能的影响是非常显著的，通过调整合金中C元素的原子百分比，即在0≤x≤20的范围内调整x的值，可以提高Fe-Co-P-C系非晶合金作为析氢反应电催化剂的电催化性能。Fe₄₀Co₄₀P₉C₁₁和Fe₄₀Co₄₀P₇C₁₃两种合金成分，表现出非常优异的电催化性能。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内做出的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种提高Fe-Co-P-C系非晶合金电催化性能的方法，其特征在于：所述Fe-Co-P-C系非晶合金的成分为Fe₄₀Co₄₀P_20-xC_x，其中x为非晶合金中C元素的原子百分比，0≤x≤20；

2.根据权利要求1所述的提高Fe-Co-P-C系非晶合金电催化性能的方法，其特征在于：所述Fe-Co-P-C系非晶合金的成分为Fe₄₀Co₄₀P₉C₁₁或Fe₄₀Co₄₀P₇C₁₃。