微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料及其制備方法和應用

本發(fā)明涉及電催化水分解領域，特別是指一種微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料及其制備方法和應用。

背景技術：

1、電解水制氫是一種環(huán)境友好的能源轉換和能源儲存技術。析氧反應(oer)是電解水的陽極反應，涉及復雜的四電子過程，是制約電解水制氫效率的關鍵因素。因此，開發(fā)高效、穩(wěn)定、低成本的oer催化劑對于電解水制氫至關重要。目前商用ir/ru基催化劑具有優(yōu)異的oer活性，但其大規(guī)模應用受到穩(wěn)定性差、儲量低和成本高的限制。

2、非貴金屬鐵(fe)、鈷(co)和鎳(ni)等具有較高的oer活性，且成本低，供應充足，具有取代貴金屬催化劑的潛力。然而，由于非貴金屬基催化劑在酸性/堿性電解質中會被腐蝕，因此非貴金屬必須修飾到穩(wěn)定且導電的基底上，如碳材料。導電碳材料包括石墨烯、碳納米管等等。石墨烯和碳納米管已被廣泛用作非金屬(碳化物或合金)催化劑的襯底材料。但在oer的高電位下，上述碳材料容易發(fā)生腐蝕(碳氧化反應)，影響催化劑性能的長期穩(wěn)定性。

3、文獻-cn114134534b公開了一種基于人造金剛石觸媒的析氧催化劑及其制備方法和應用，包括鎳、鐵顆粒，以及包覆所述鎳、鐵顆粒的石墨外殼，由于碳的包覆，抑制了鎳鐵顆粒的團聚以及堿性溶液的侵蝕，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。但是對于該催化劑的長時間穩(wěn)定性缺少研究，且該析氧催化劑在電流密度為10ma/cm2時過電勢為310-400mv，塔菲爾斜率為74.6-143.3mv/dec，存在過電勢以及塔菲爾斜率較高的問題，催化劑的催化性能有待進一步提高。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料及其制備方法和應用，通過退火制備的摻硼金剛石基鐵鈷復合材料，作為oer催化劑，具有優(yōu)異的oer性能、較長的使用壽命和耐腐蝕性，在堿性電解液中，在電流密度為10ma/cm2時過電勢僅為300mv，塔菲爾斜率為58mv/dec，可持續(xù)運行長達72h。

2、本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料，包括微米級硼摻雜金剛石顆粒、cofe納米顆粒和被石墨層包裹的cofe2c納米顆粒，cofe納米顆粒和被石墨層包裹的cofe2c納米顆粒以共格界面的形式附著在微米級硼摻雜金剛石顆粒上。

3、微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料的制備方法，包括以下步驟：

4、(1)將硼摻雜金剛石(簡稱：bdd)微粉與納米級的鐵粉和鈷粉混合，得到混合物；

5、(2)將步驟(1)獲得的混合物研磨后，退火處理，最后粉碎，得到微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料。

6、該方法制備的摻硼金剛石基鐵鈷復合材料：cofe納米顆粒和被石墨包裹的cofe2c納米顆粒以共格界面的形式附著在硼摻雜金剛石上，形成了三維結構。該復合材料作為催化劑具有豐富且多樣的活性位點，同時由于硼摻雜金剛石基底的良好導電性及物理、化學穩(wěn)定性，使催化劑在高電位長時間運行下仍能保持良好的催化性能。

7、進一步地，步驟(1)中，硼摻雜金剛石微粉與納米級的鐵粉和鈷粉的質量比為1：1：1。

8、進一步地，步驟(2)中，退火處理的條件為：氬氣環(huán)境下，大氣壓下，5℃/min的升溫速率到900℃，保溫30min后，自然降溫到室溫。

9、進一步地，步驟(1)中，硼摻雜金剛石微粉的尺寸為5-10微米，納米級的鐵粉和鈷粉的尺寸均在一百納米以內。

10、進一步地，步驟(2)中，研磨的時間為15-30min。

11、微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料，由所述制備方法制備。

12、微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料作為電解水的陽極析氧催化劑的應用。

13、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下突破性優(yōu)勢：

14、(1)本發(fā)明提供的微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料通過簡單的退火處理制備，制備方法簡單，無復雜的工藝，一步合成。

15、(2)本發(fā)明提供的微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料作為陽極析氧催化劑在堿性電解液中穩(wěn)定性好，以其為陽極析氧材料，其陽極過電勢僅為300mv，塔菲爾斜率為58mv/dec，可持續(xù)運行長達72h，而微米級硼摻雜金剛石作為陽極析氧材料，塔菲爾斜率為153mv/dec，可持續(xù)運行為近5h。

16、(3)本發(fā)明的微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料催化劑具有優(yōu)異的oer性能、長時間穩(wěn)定性和耐腐蝕性，相比貴金屬催化劑，具有明顯的低成本優(yōu)勢。

技術特征：

1.微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料，其特征在于：包括微米級硼摻雜金剛石顆粒、cofe納米顆粒和被石墨層包裹的cofe2c納米顆粒，cofe納米顆粒和被石墨層包裹的cofe2c納米顆粒以共格界面的形式附著在微米級硼摻雜金剛石顆粒上。

2.微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

3.根據(jù)權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，硼摻雜金剛石微粉與納米級的鐵粉和鈷粉的質量比為1：1：1。

4.根據(jù)權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，退火處理的條件為：氬氣環(huán)境下，大氣壓下，5℃/min的升溫速率到900℃，保溫30min后，自然降溫到室溫。

5.根據(jù)權利要求2-4之一所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，硼摻雜金剛石微粉的尺寸為5-10微米，納米級的鐵粉和鈷粉的尺寸均在一百納米以內。

6.根據(jù)權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，研磨的時間為15-30min。

7.微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料，由權利要求2-6之一所述的制備方法制備。

8.權利要求1或7所述的微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料作為電解水的陽極析氧催化劑的應用。

技術總結
本發(fā)明提出了一種微米級硼摻雜金剛石基鐵鈷復合材料及其制備方法和應用，該復合材料包括微米級硼摻雜金剛石顆粒、CoFe納米顆粒和被石墨層包裹的CoFe<subgt;2</subgt;C納米顆粒，CoFe納米顆粒和被石墨層包裹的CoFe<subgt;2</subgt;C納米顆粒以共格界面的形式附著在微米級硼摻雜金剛石顆粒上。該復合材料通過退火方法制備，制備方法簡單。本發(fā)明制備的復合材料作為OER催化劑，具有優(yōu)異的OER性能和較長的使用壽命和耐腐蝕性，在堿性電解液中，塔菲爾斜率為58mV/dec，可持續(xù)運行長達72h。

技術研發(fā)人員：程少博,庫雅倫,單崇新
受保護的技術使用者：鄭州大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/31