一种钯系高熵化合物纳米材料的制备及其在电催化和光催化领域中的应用

本发明属于催化材料，具体涉及一种钯系高熵化合物纳米材料的制备及其在电催化和光催化领域中的应用。

背景技术：

1、在催化领域中，目前最好并且能够被商业化应用的催化材料是贵金属铂或铂基材料。使用铂金属或铂基催化材料可以大大减小多种催化反应的过电势，增大催化过程中的能量转换效率。但长期以来受限于铂资源较为稀缺，铂材价格昂贵，以及与铂相关的矿藏世界总储量低等问题，一般需要增大铂基材料的比表面积，或者将铂基贵金属分散在非贵金属材料(如碳基材料)载体上，以此来增加铂金属催化材料催化位点的使用效率，同时降低催化材料中铂贵金属的使用量。

2、同时，也有一些研究人员致力于寻找性能优良的非铂金属基催化剂，或者将铂金属与其他过渡金属或金属化合物进行合金化，以使其成为铂基材料的廉价替代品。其中，高熵材料是一种已被证实具有很高催化活性的催化材料，并且目前正在成为催化研究领域的一个非常重要的探索方向。此外，在火山图中钯金属的位置非常接近铂金属的位置，理论上钯系材料可能具有可与铂基材料相当的催化性能。然而，目前鲜有关于钯系高熵化合物纳米催化材料的报道。因此，开发一种性能优异的钯系高熵化合物纳米催化材料将具有很好的应用前景。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种钯系高熵化合物纳米材料的制备方法，所制备得到的钯系高熵化合物纳米材料是一类性能优异的催化材料，在碱性酸性条件下均具有较好的电催化性能，同时具有出色的光催化析氢性能，有望应用在电化学领域和光电催化领域中。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明第一方面公开了一种钯系高熵化合物纳米材料的制备方法，具体为：以钯磷硫(pdps)和/或钽钯硫(ta2pds6)二维化合物晶体材料作为母体材料，将其与磁性过渡金属粉末和贵金属粉末进行混合，然后在磁场诱导作用下对混合原料粉末进行激光熔蚀处理，使混合原料粉末在磁场协同的激光熔蚀作用下形成纳米颗粒，即制备得到钯系高熵化合物纳米材料。

4、作为本发明的一个优选实施方式，上述钯系高熵化合物纳米材料的制备方法包括以下步骤：

5、s1、将钯磷硫(pdps)和/或钽钯硫(ta2pds6)、磁性过渡金属粉末以及贵金属粉末加入到有机溶剂和水的混合溶液中，并分散均匀；

6、s2、将分散好的混合粉末分散液置于均匀磁场中，在磁场诱导作用下用高能脉冲激光进行激光熔蚀处理，使混合粉末在磁场协同的激光熔蚀作用下形成纳米颗粒，即制备得到钯系高熵化合物纳米材料。

7、优选地，所述磁性过渡金属为铁、钴、镍中的至少一种；所述贵金属为铂、钌、铱、银中的至少一种。

8、高熵化合物纳米颗粒包含四种或四种以上的元素，并由这些元素均匀混合形成固溶体结构。高熵纳米颗粒的组成具有灵活性，使其催化活性具备可调节性，且高熵纳米颗粒中多元素的协同作用能够提供一系列不同的吸附位点，使其成为多功能催化反应的理想选择。另外，高熵混合在苛刻的操作条件下能形成稳定的结构，使其在催化反应过程中具有出色的稳定性。钯具有与铂相近的氢原子吸附吉布斯自由能，使得钯基材料在电催化领域可以成为铂基催化剂的理想替代者。为此，本发明以钯磷硫(pdps)或钽钯硫(ta2pds6)，磁性过渡金属(铁、钴、镍)以及贵金属(银、铂、钌、铱)为前驱体，采用磁场诱导协同激光熔蚀技术进行液相中的激光处理，形成高熵纳米颗粒。所制备得到的高熵纳米颗粒由于多元素的协同作用提供了出色的催化活性，在her和orr催化领域均具有出色的催化活性，具有可以媲美铂基催化剂的光、电催化性能，有望应用在电化学以及光电催化领域。

9、在本发明中，以钯系二维化合物晶体材料【钯磷硫(pdps)或钽钯硫(ta2pds6)】为母体材料，与磁性过渡金属(铁、钴、镍)以及贵金属(铂、钌、铱、银)混合，然后在磁场诱导的协同作用下，对混合粉末在液相中进行激光辐照处理，制备出高熵纳米颗粒。其中，磁场诱导下的激光液相熔蚀和一般的激光液相熔蚀相比存在着本质性的区别，这是因为在强磁场作用下，激光液相熔蚀所产生的等离子体内会由于强磁场的作用而产生‘磁箍缩’效应，进而使由高能激光熔蚀出来的离化物质发生‘局部集结’行为，而这一过程有利于高熵态的产生。另外，强烈的激光作用会将钯系二维化合物母体材料中较弱的化学键打断，同时在激光作用下处于熔融态的金属原子会由于磁场的‘磁箍缩’效应而均匀嵌入到被打断了化学键的二维母体化合物材料中。因为基于二维母体材料并辅助以磁场的协同作用，可以通过激光熔蚀作用向被作用材料的分子和原子体系传递高强度磁场能量，从而影响材料的微观结构和性能，并改变材料的自由能，最终制备得到高熵纳米化合物。而且，对磁场诱导作用进行调控(不同磁场大小、不同磁场加载模式等)还可以有效调整钯系高熵化合物纳米材料的“熵态”，并且通过调控磁场可以显著改善催化剂的传质，提高电极电导率，进而显著提高催化过程的电荷转移效率，使产物获得最佳的催化活性。因此，磁场诱导协同激光液相熔蚀技术是一种有效产生高熵化合物纳米结构，并增强其催化活性的新策略。

10、优选地，所述磁场的强度为1-9t。

11、优选地，所述激光熔蚀处理采用的脉冲激光的能量为50-500mj，频率为1-50hz，作用时间为1-10h。

12、优选地，所述激光熔蚀处理采用532nm yag激光器以及532nm全反射镜，或者355nmyag激光器以及355nm全反射镜。

13、优选地，所述钯磷硫(pdps)和/或钽钯硫(ta2pds6)中的钯含量，与磁性过渡金属含量以及贵金属含量的摩尔比为1:1:1。

14、优选地，所述有机溶剂为异丙醇或乙醇，所述有机溶剂与水的体积比为(1-4):1。更优选地，所述有机溶剂与水的体积比为3:1。

15、优选地，步骤s1所述分散均匀为采用超声分散均匀，超声的频率为30-50khz，超声时间为10-20min。

16、优选地，步骤s1中，钯磷硫(pdps)和/或钽钯硫(ta2pds6)、磁性过渡金属以及贵金属的混合粉末与有机溶剂和水的混合溶液之间的料液比为10mg/40-60ml。

17、本发明第二方面公开了采用第一方面所述的制备方法制备得到的钯系高熵化合物纳米材料。

18、本发明制备所得的钯系高熵化合物纳米材料是一类多功能光、电催化剂，在酸性、中性、碱性条件均具有较好的电化学性能，具有与铂催化剂相媲美的催化性能，同时具有出色的光催化性能。

19、本发明第三方面公开了第二方面所述的钯系高熵化合物纳米材料在光催化领域和/或电催化领域中的应用。其中，在电催化应用方面，当所述电催化为电化学析氢时，所述钯系高熵化合物纳米材料包括由钯磷硫、钴、镍、铂化合形成的纳米颗粒、由钯磷硫、镍、银、钌化合形成的纳米颗粒、由钽钯硫与镍、钌、铱化合形成的纳米颗粒、由钽钯硫与钴、铱、银化合形成的纳米颗粒。当所述电催化为电化学氧还原，所述钯系高熵化合物纳米材料为由钯磷硫与铁、钌、铂化合形成的纳米颗粒。在光催化应用方面，所述光催化为光催化析氢，所述钯系高熵化合物纳米材料为由钯磷硫、钴、镍、铂化合形成的纳米颗粒。

20、采用本发明方法制备得到的钯系高熵化合物纳米材料是一种多功能电催化剂，在酸性碱性条件下均具有较好的过电位，具有可以与铂基催化剂相媲美的光、电催化性能，可应用于制备具有催化效应的材料，在电催化领域或光催化领域中具有广泛的应用价值。同时，还解决了铂基催化剂的成本高的问题。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、本发明公开了一种钯系高熵化合物纳米材料的制备方法，以钯磷硫(pdps)和/或钽钯硫(ta2pds6)二维化合物晶体材料作为母体材料，将其与磁性过渡金属粉末和贵金属粉末进行混合，然后采用磁场诱导协同激光液相熔蚀的方法对混合原料粉末进行磁场诱导下的激光熔蚀处理，使混合粉末在磁场与激光的双重作用下形成纳米颗粒，进而制备得到钯系高熵化合物纳米材料。所制备得到的钯系高熵化合物纳米材料属于一类多功能催化剂，在酸性、碱性条件下均具有良好的过电位和催化活性，在酸性和碱性条件下均有出色的电化学析氢或电化学氧还原性能，具备与铂基催化剂相媲美的催化性能，同时具有出色的光催化析氢性能。可见，采用本发明方法制备得到的钯系高熵化合物纳米材料同时具有较好的电催化活性和光催化活性，可应用在电催化领域或光催化领域中，具有巨大的潜在应用价值。