本技术涉及一种高熵合金纳米花阵列及其制备方法,应用于电极材料领域。该纳米花阵列由Co、Ni、Mo、Cu、Zn五种金属元素构成,形成具有大比表面积的三维多孔纳米结构。制备过程简便,成本低廉,无需使用贵金属,且具有高载量、高稳定性。适用于析氢反应、肼氧化反应及肼氧化辅助制氢系统。在OHzS系统中,仅需0.260V和0.376V电池电压即可实现500mA cm²⁻¹和1000mA cm²⁻¹的工业电流密度,展现出低电压高效产氢的优势,具有显著的实用价值。
背景技术
氢气由于其极高的质量能量密度,零碳排放和可再生等优点,被认为是下一代最有前途的替代能源之一。电解水制氢将水分解为氢气和氧气,由于生产的氢气纯度高,无大量CO2
排放,受到了广泛关注。由于电解水制氢是由析氧反应(OER)和析氢反应(HER)两个重要的半反应所构成,其中OER是一个相对复杂的四电子转移过程,反应动力学缓慢,理论电位高达1.23V,从而导致高昂的电力成本,因此其大规模化应用受到限制。近年来,研究表明采用热力学上更有利的小分子氧化反应取代OER可以大幅度降低产氢电压,节约能耗,极具应用价值(Adv.Mater.2024,36,2309715)。其中肼氧化反应(HzOR)具有-0.33V的较低理论电压,已被证明是替代阳极OER,实现低压高效制氢的一种极具应用前景的策略。特别是与纯电解水系统相比,肼氧化辅助制氢(OHzS)系统可有效节省一半以上的电能,并且由于副产物是N2
而不是O2
,因此安全性更高。然而,目前应用于OHzS系统的催化剂组成和结构简单以及本征活性较差,很难同时高效催化OHzS系统的阴阳两极反应。因此,制备能够高效催化OHzS系统的催化剂或电极材料并实现工业级电流密度产氢仍然是一个巨大的挑战。
高熵合金(HEA)催化剂因其显著的催化特性而受到广泛关注。目前,大多数研究都集中在粉末状HEA催化剂上,这种催化剂需要涂覆在导电基底上才能进行后续催化反应。然而,粉末材料容易从导电基底上脱落,导致催化性能下降。相比之下,在导电基底上原位生长催化剂形成的自支撑阵列电极不仅能确保催化剂与基底紧密接触,防止催化剂在电催化过程中脱落,还能促进电荷快速转移,提供更大的比表面积和丰富的活性位点。此外,多孔阵列电极还能促进电解质的扩散和生成气体的快速释放,从而提高催化剂的整体传质效率。然而,由于不同金属具有不同的物理化学性能,特别是HEA中各种金属的成核/生长动力学各不相同,导致精准制备具有均一相结构的高熵合金纳米片或纳米花阵列材料仍然是一个巨大的挑战。
为了解决以上问题,提出本发明。
实现思路