本發(fā)明涉及非晶態(tài)合金帶材的制備以及電催化材料應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種用于高效析氫反應(yīng)的fe-co-p-c系非晶電催化劑。
背景技術(shù)：
：氫氣作為一種清潔、可再生能源，有望替代化石燃料成為一種理想的能源載體。水電解產(chǎn)生氫氣是一種獲取氫能源的有效方法。析氫反應(yīng)作為電催化水解反應(yīng)的一個(gè)重要半反應(yīng)，是當(dāng)今人們研究的熱點(diǎn)。在析氫反應(yīng)電催化劑研究的早期，人們關(guān)注對(duì)象主要是pt、pd等貴金屬材料。貴金屬材料由于高昂的成本以及稀缺性限制了本身的廣泛商業(yè)應(yīng)用。隨著近年來(lái)的研究發(fā)展，為了避免高昂的使用成本，過(guò)渡金屬合金及其氮化物、硼化物、碳化物、硫化物以及磷化物在析氫反應(yīng)電催化方面的研究受到了廣泛的重視。一系列過(guò)渡金屬化合物被制備出來(lái)并展現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能。此后相關(guān)的材料一直成為電催化材料的研究熱點(diǎn)。非晶材料，如金屬玻璃(也被稱為玻璃金屬或合金)，由于在腐蝕介質(zhì)中具有很好的穩(wěn)定性以及高催化活性，因而被大家認(rèn)為是一種潛在的電催化劑。最近，貴金屬基pd40ni10cu30p20和鐵基fe40ni40p20金屬玻璃已被發(fā)現(xiàn)具有卓越的電催性能。而且fe基納米材料也已被大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)符合低的成本效益，并且具有良好的耐腐蝕特性與電催化活性。與一般的濕化學(xué)方法合成的材料不同，金屬玻璃通常通過(guò)熔體旋淬法大規(guī)模生產(chǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛商業(yè)化應(yīng)用。鑒于金屬玻璃的優(yōu)良性能，包括優(yōu)異的機(jī)械性能、低廉的生產(chǎn)成本以及良好的耐腐蝕性，設(shè)計(jì)一種基于過(guò)渡金屬fe、co基的非晶合金實(shí)現(xiàn)高的析氫電催化活性的催化劑是當(dāng)下迫切需要的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，fe-co-p-c非晶合金材料是一種很好的電催化劑，在酸性溶液中具有高電催化活性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。基于其優(yōu)越的機(jī)械性能和低的生產(chǎn)成本，目前fe-co-p-c很可能代表了一種新的電催化劑材料，具有極大的商業(yè)應(yīng)用前景。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是制備出一系列具有優(yōu)異電催化活性以及高穩(wěn)定性的fe-co-p-c系非晶合金帶材用于高效析氫反應(yīng)，從而解決現(xiàn)有電催化劑電流密度低、過(guò)電位高、穩(wěn)定性差的問(wèn)題。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，采用如下技術(shù)方案：本發(fā)明用于高效析氫反應(yīng)的fe-co-p-c系非晶電催化劑，其特點(diǎn)在于：所述電催化劑為fe-co-p-c系非晶合金帶材，其成分為fe80-xcoxp20-ycy，0≤x≤50、0≤y≤15，其中x和y分別為fe-co-p-c系非晶合金帶材中co元素和c元素的原子百分?jǐn)?shù)。本發(fā)明用于高效析氫反應(yīng)的fe-co-p-c系非晶電催化劑，其特點(diǎn)也在于：所述fe-co-p-c系非晶合金帶材所用合金原材料fe、co純度為99.9wt.％，其余的原材料純度均不低于99.00wt.％。所述的fe-co-p-c系非晶合金帶材的厚度范圍為10-60μm。上述fe-co-p-c系非晶電催化劑的制備方法，包括如下步驟：(1)母合金錠的制備按照名義成分fe80-xcoxp20-ycy，將fe粉、co粉、p粉和c粉進(jìn)行配料，然后在高純ar氣氛保護(hù)下，用真空電弧爐熔煉，為了保證合金成分的成分均勻，母合金在爐內(nèi)反復(fù)翻轉(zhuǎn)熔煉4次以上，得到母合金鑄錠；(2)高真空甩帶利用感應(yīng)加熱的方式將步驟(1)制得的母合金鑄錠熔化，然后利用熔體旋淬法，在高真空條件下將熔融態(tài)合金噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，通過(guò)銅輥的導(dǎo)熱將熔融態(tài)合金快速冷卻(由于這一冷卻速度非?？?，可以達(dá)到104k/s-106k/s數(shù)量級(jí)，從而能夠在室溫凝固時(shí)繼續(xù)保持其液態(tài)的無(wú)序結(jié)構(gòu)抑制晶化，得到非晶態(tài)合金帶材)，得到用于作為電催化劑的fe-co-p-c系非晶合金帶材。本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：1、本發(fā)明的fe-co-p-c系非晶合金帶材在較寬的成分范圍內(nèi)均表現(xiàn)出優(yōu)異的玻璃化形成能力以及良好的電催化活性，是良好的析氫反應(yīng)電催化劑，具有廣泛商業(yè)化應(yīng)用前景。2、本發(fā)明的電催化劑采用熔體旋淬法制備，制備方法簡(jiǎn)單、易操作、成本低、環(huán)境友好，整個(gè)制備過(guò)程不需要特殊設(shè)備，能進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，得到的合金帶材品質(zhì)較高；本發(fā)明方法制備的fe-co-p-c系帶材可同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性好、活性位點(diǎn)多、電催化活性高等優(yōu)點(diǎn)。附圖說(shuō)明圖1為實(shí)施例1所制備的fe40co40p13c7非晶合金帶材的x射線衍射圖譜以及進(jìn)行20h的電催化反應(yīng)后樣品的x射線衍射圖譜；圖2為實(shí)施例1所制備的fe40co40p13c7非晶合金帶材的透射電子顯微鏡圖；圖3為實(shí)施例1所制備的fe40co40p13c7非晶合金帶材在0.5mh2so4電解液中的線性掃描伏安法性能曲線。具體實(shí)施方式下述實(shí)施例的fe-co-p-c系非晶合金帶材采用熔體旋淬法制備，所用設(shè)備型號(hào)為：wk，北京物科，中國(guó)。下述實(shí)施例所得fe-co-p-c系非晶合金帶材的非晶特性采用x射線衍射法(xrd)檢測(cè)，所用設(shè)備型號(hào)為：x’pertprompdx射線衍射儀，帕納科(panalytical)，荷蘭。下述實(shí)施例所得fe-co-p-c系非晶合金帶材的電催化活性采用電化學(xué)工作站獲得，所用設(shè)備型號(hào)為：chi760e，上海晨華，中國(guó)。實(shí)施例1本實(shí)施例按如下步驟制備fe40co40p13c7非晶合金帶材：(1)母合金錠的制備按照名義成分fe40co40p13c7，將純度為99.9wt.％的fe粉、co粉和純度不低于99.00wt.％p粉和c粉進(jìn)行配料，然后在高純ar氣保護(hù)下，用真空電弧爐熔煉，為了保證合金成分的成分均勻，母合金在爐內(nèi)反復(fù)翻轉(zhuǎn)熔煉4次以上，在每次熔煉過(guò)程中盡量慢地熔煉磷鐵和碳粉，防止溫度過(guò)高導(dǎo)致原材料揮發(fā)，最后冷卻后得到母合金鑄錠。(2)高真空甩帶利用感應(yīng)加熱的方式將步驟(1)制得的母合金鑄錠重新熔化，然后利用熔體旋淬法，在高真空條件下將熔融態(tài)合金噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，通過(guò)銅輥的導(dǎo)熱將熔融態(tài)合金快速冷卻，以得到寬～2mm、厚～35μm的fe40co40p13c7非晶合金帶材。用x射線衍射法表征本實(shí)施例所得fe40co40p13c7非晶合金帶材(對(duì)應(yīng)圖中的as-prepared)的結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖1所示，非晶合金的xrd譜線上僅存在唯一的寬而彌散的寬峰，沒(méi)有看到明顯與晶體相對(duì)應(yīng)的衍射峰存在，這是非晶合金的典型特征，可以斷定這些合金帶材為完全的非晶態(tài)組織。本實(shí)施例的fe40co40p13c7非晶合金帶材經(jīng)20h的電催化反應(yīng)之后(對(duì)應(yīng)圖中的20htested)，其xrd結(jié)果顯示仍然存在明顯的非晶峰，說(shuō)明這類feco基非晶合金帶材具有很好的耐腐蝕性。利用離子減薄儀對(duì)本實(shí)施例所得非晶合金進(jìn)行減薄處理，然后再通過(guò)透射電鏡表征表面形貌，如圖2所示，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的晶格條紋、衍射斑點(diǎn)以及晶體衍射環(huán)，再一次證明所得合金為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。在微波功率100w條件下，將本實(shí)施例所得的fe40co40p13c7非晶合金帶材在丙酮中超聲30分鐘，然后依次用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌、真空干燥箱干燥，得到表面清潔的測(cè)試樣；將所得測(cè)試樣用于電解水(析氫反應(yīng))電催化反應(yīng)，進(jìn)行電化學(xué)活性測(cè)試：將測(cè)試樣夾在對(duì)應(yīng)的電極夾上，采用三電極體系用線性掃描伏安法進(jìn)行測(cè)試，電解液為0.5mh2so4溶液，在掃描速率為100mv/s的掃速下測(cè)量，結(jié)果表明在過(guò)電位124mv時(shí)樣品電流密度可達(dá)到10macm-2。實(shí)施例2本實(shí)施例按實(shí)施例1相同的方法制備fe-co-p-c系非晶電催化劑，區(qū)別僅在于改變各原料配料時(shí)的名義成分，以獲得不同成分的帶材。所得樣品的尺寸參數(shù)如表1所示，經(jīng)表征，各樣品皆為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，且具有良好的電催化活性。表1fe-co-p-c系非晶合金帶材部分樣品的成分及尺寸參數(shù)樣品成分寬度(mm)厚度(um)fe72co8p13c72.9939fe64co16p13c71.8051fe56co24p13c71.8631fe48co32p13c72.3047fe40co40p13c72.0435fe26co44p15c152.2429fe45co35p201.9928以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12