非金属掺杂的FeCoNiCrAl高熵合金粉作为OER电催化剂的研究文献综述
2020-04-15 17:32:12
随着经济和社会的飞速发展,能源问题越来越成为世界性的难题之一,氢能源作为重要的新能源一直受到广泛的关注,氢是洁净、高效的二次能源载体,为人类根本性解决能源与环境等全球性问题提供了理想的替代能源方式。氢气可以作为零碳源的清洁能源直接燃烧,而且可以把别的清洁能源转化成氢气储备或运输。氢气的制备方法有很多,其中电解水制备氢气是最简单最清洁的方法,电解水可以生产得到高纯度氢,是现代清洁能源技术的重要组成部分。同时可以获得氧气,达到双功能制备。
OER是电催化分解制氢中的重要半反应,但OER过程需要较高的过电势,成为电催化水解反应的瓶颈,而电极材料中催化剂的选择决定过电势的大小,因此,OER过程电催化剂起到至关重要的作用,而催化剂的选择,又有更加苛刻的要求。首先,催化剂需要有非常好的催化活性,表现为在有效电流密度下需要施加较低的过电势。其次,催化剂需要有较大的比表面积,增大电解液中离子和催化剂中活性位点的接触面积。再次,催化剂在长期运行过程中表现稳定。此外,较低的制备成本也是其工业化应用的重要考虑因素。目前,性能最好的OER电催化剂是RuO2和IrO2,其性能优越,但是稳定性差,价格昂贵。导致无法实现大规模的工业化应用。因此,制备OER新型催化剂取代RuO2和IrO2 是当下解决高效水解制氢的有效办法。 OER电催化材料在过去的十余年间取得了长足发展。而在各种材料类型中,过渡金属硫化物、硒化物、磷化物、硼化物等非贵金属基OER电催化剂除具成本优势外,在析氧过电位、耐久性方面正趋接近甚至超越RuO2、IrO2标志性催化剂,颇具应用潜力。然而性能距离RuO2和IrO2仍然相差很远。
(高熵合金定义)高熵合金为五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金。以往的合金中主要的金属成分可能只有一至两种,若合金中加的金属种类越多,会使其材质脆化,但高熵合金和以往的合金不同,有多种金属却不会脆化,是一种新的材料。高熵合金通过基材打磨去除氧化层,多种合金粉真空球磨,充分混合,最终均匀压至基材表面形成稳定性较高的一类合金。
高熵合金含有导电性好、耐腐蚀性强等优点,并含有FeCoNi 等OER催化剂金属,因此本论文引入高熵合金作为反应催化剂。高熵合金可以通过球磨的方法制备,但球磨后的高熵合金粉体粒径太大,不具备较大的比表面积,难以增大电解液中离子和催化剂中活性位点的接触面积,使其应用收到限制。但在近些年电催化剂的发展过程中,硫化物的存在在析氧过电位、耐久性方面正趋近甚至超越RuO2、IrO2等标志性催化剂,因此,我们拟以硫化钠溶液处理合金粉,使其以硫化物的形式存在,并以此改善高熵合金粉的分散性,从而作为OER电催化剂。
综上所述,本论文采用FeCoNiCrAl高熵合金作为研究对象,对其进行表面处理得到硫化物的存在形式以达到最优催化效果,进一步对其显微结构和组成进行检测分析。检测FeCoNiCrAl 高熵合金粉作为OER电催化的电化学性能,数据对比分析,得到稳定性高、耐腐蚀、成本低廉、性能优良、环境友好的新型非贵金属合金OER反应催化剂。
{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}2.1研究内容
(1)高能球磨制备FeCoNiCrAl高熵合金粉,并进一步通过化学腐蚀的方法得到表面多孔的FeCoNiCrAl高熵合金粉;
(2)对表面多孔的FeCoNiCrAl高熵合金粉显微结构和组成进行检测分析;
(3)检测FeCoNiCrAl 高熵合金粉作为OER电催化的电化学性能。
2.2研究目标
(1)掌握合金的制备方法,通过化学法制备出FeCoNiCrAl粉高熵合金电催化剂;
(2)通过化学腐蚀的方法得到表面多孔的FeCoNiCrAl高熵合金粉;
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