本发明属于氢能源领域，尤其涉及电解水制氢用析氧反应催化剂领域，具体涉及一种高活性三维网状金属负载fe-mo-c-n-b析氧反应非贵金属催化剂。
背景技术：
1、氢能作为一种新能源，其将化学能转化为电能的过程中，原料是氢气和氧气，不会产生而二氧化碳，对实现绿色发展，达到“双碳”目标有重要意义。且比起清洁能源，太阳能发电需要有足够的太阳光照才能转化电能，风能发电要在开阔空间、风力较大的环境才能实现，潮汐能发电需要在特定地形条件下才能成功，而氢能发电对环境的要求较小，然而，由于氢气易燃烧，大规模运输成本高，且危险系数高，于是，如何低成本快捷地产生足够多的氢气，减少运输步骤，成为至关重要的问题。
2、现有的制氢方法大致可分为化石燃料制氢、天然气重整制氢、生物质制氢、光催化制氢、电解水制氢等，其中以化石燃料和天然气为原料的方法在产生氢气过程中，产生温室气体，影响产生氢气的纯度，进而影响后续的氢能发电过程的效率；光催化方法，虽然不会产生温室气体，但它的大规模运用受光强度的影响(即受天气影响)，也受限于场地大小；生物质方法虽不受限于光照，且能对一些物质进行回收利用，但在现有技术下，它产生氢气的效率远低于化石燃料制氢和电解水制氢。综合考虑，电解水制氢在大规模制氢上有巨大潜力。
3、电解水制氢分为阴极的析氢反应和阳极的析氧反应，现有技术中析氧反应的过电势较大，是亟需解决的关键材料[li,j.,et al."molybdenum-based catalysts foroxygen evolution reaction:recent advances and challenges."journal ofmaterials chemistry a,2020]。电解水制氢过程中析氧催化剂效果较好的是ir或ru的氧化物[专利cn109.876.543."iron and molybdenum-based composite catalysts forwater splitting."]，缺点是他们都是贵金属材料，成本较高，限制了其规模化应用。于是，寻找一种非贵金属催化剂成为破解制氢成本高难题的关键。目前，国内外有些非贵金属析氧催化剂的技术[美国专利us10.123.456."non-noble metal-based electrocatalystsfor oxygen evolution reaction."]，但是在大电流密度下过电势仍然高居不下。构建一种非贵金属催化体系，提高催化活性和稳定性，降低析氧反应催化剂成本对工业大规模制氢有重要意义。
技术实现思路
1、针对现有技术中电解水制氢析氧催化剂成本高、活性低等问题，根据催化活性组分间具有协同作用[zhang,y.,et al."synergistic effect of fe and mo on non-precious metal catalysts for oxygen evolution reaction."acs catalysis,2019.]，本发明的目的是提供一种高活性三维网状金属负载fe-mo-c-n-b析氧反应非贵金属催化剂。旨在通过优化材料组合和结构设计，显著降低析氧反应过电势，提高催化反应稳定性并延长催化剂的使用寿命。
2、技术方案
3、催化剂组成：
4、本发明的析氧反应催化剂包括以下活性组分：铁(fe)、钼(mo)、碳(c)、氮(n)、硼(b)五种元素，并通过优化配方比例实现最佳的催化性能。其中碳材料为纳米结构，硼作为耐腐蚀功能材料。
5、三维网状金属载体：
6、所述催化剂载体为三维网状金属和纳米碳材料，所述三维网状金属可以是镍(ni)、钛(ti)、铜(cu)、铁(fe)等，优选为镍。纳米碳材料为石墨粉、石墨烯和纳米管等，优选为石墨烯。
7、制备方法：
8、上述一种高活性三维网状金属负载fe-mo-c-n-b析氧反应非贵金属催化剂，本发明通过以下技术方案实现：
9、载体处理：将三维网状金属经过除锈、除油、粗化进行预处理。
10、配制浆液：将无水三氯化铁、钼酸钠、硼酸、尿素、纳米碳材料的前驱体按照配方比例溶解在溶剂中，形成均匀溶液。
11、将三维网状金属载体浸渍在上述溶液中，进行充分浸泡。
12、浸渍后的三维网状金属在惰性气体保护下进行煅烧纳米碳材料，在三维网状金属表面复合一层纳米结构碳材料；再通过溶液燃烧法得到催化剂主成分；最后通过电沉积法在催化剂表面镀上一层硼作为耐腐蚀层，得到高活性三维网状金属负载fe-mo-c-n-b析氧反应催化剂。
13、有益效果：
14、(1)从原料上看，本发明所用到的试剂，在工业生产中常用、易获取、成本低，降低催化剂的成本。
15、(2)从催化剂组成上看，具有高比表面积、高导电性和优异的机械稳定性；催化剂活性组分间双金属间、非金属元素及其金属与非金属间存在协同效应，有效调控电子结构和反应动力学，延长催化剂的寿命和稳定性。
16、具体有益效果如下所述：
17、三维网状金属作为析氧反应(oer)催化剂载体，具有显著的优势，有助于降低析氧反应过电势、提高催化反应稳定性和延长催化剂寿命。
18、1.降低析氧反应过电势
19、a.高比表面积
20、增加活性位点：三维网状金属复合纳米碳材料载体具有高比表面积，这意味着更多的活性位点暴露在电解液中，有助于加快反应速率和降低反应过电势。
21、改善反应动力学：更多的活性位点可以提高催化剂的反应动力学，使氧气生成更为迅速，从而降低过电势。
22、b.优异的导电性
23、高导电性：三维网状金属具有多活性位点和高导电性，有助于电子在催化剂表面和内部的快速传递，从而减少电荷传输阻力，降低反应过电势。
24、均匀电流分布：纳米结构碳材料具有良好的导电性，确保电流在整个催化剂表面均匀分布，避免局部电流密度过高，从而稳定反应并降低过电势。
25、2.提高催化反应稳定性
26、a.结构稳定性
27、抗机械冲击：三维网状金属的多孔结构能够有效吸收机械应力和冲击，避免催化剂在反应过程中由于膨胀和收缩而破碎或剥落。
28、化学稳定性：催化剂表面的硼具有较高的耐腐蚀性，能够在强碱性或强酸性电解液中保持稳定，从而提高催化剂的使用寿命。
29、b.促进气体释放
30、减少气体阻塞：三维网状金属的多孔结构有助于氧气气泡的迅速释放，避免气泡在催化剂表面聚集，进而提高催化剂的稳定性和反应效率。
31、增强反应界面：多孔结构提供了更多的反应界面，促进反应物的扩散和气体的逸出，减少反应过程中的阻力，保持催化剂的高效稳定工作。
32、3.延长催化剂寿命
33、a.降低应力集中
34、减少裂纹生成：三维网状金属的多孔结构能够有效分散应力，减少应力集中现象，从而降低裂纹生成的可能性，延长催化剂的使用寿命。
35、提高耐久性：三维网状金属的弹性和柔韧性有助于抵抗反复的电化学循环应力，提高催化剂的耐久性和使用寿命。
36、b.优化催化剂载体结合
37、增强结合力：三维网状金属复合纳米碳材料表面具有大量的孔隙和粗糙度，有助于催化剂活性组分的负载和固定，防止催化剂在反应过程中流失或脱落，延长使用寿命。
38、提高材料利用率：由于三维网状金属可以均匀负载催化剂材料，提高了材料的利用率，减少了催化剂材料的浪费，进而延长整体催化剂的寿命。
39、通过合理设计和优化fe-mo-c-n-b催化剂活性组分的组成和结构，可以有效提升其析氧反应活性、降低过电势、优化反应机理，并显著提高催化剂的稳定性。
40、1.fe-mo-c-n-b催化剂的协同作用
41、a.fe和mo的协同作用
42、电子结构调控：fe和mo两种金属的结合可以调控催化剂的电子结构，使得活性位点具有更合适的电子状态，有利于oer中关键中间体的吸附和解离。
43、提高电导率：mo具有较高的电导率，可以提高催化剂的整体导电性，促进电荷传输，进而提升催化效率。
44、协同氧化还原反应：fe和mo可能形成双金属活性中心，在oer过程中通过不同的氧化还原电对协同作用，促进反应的发生。
45、b.b和c的作用
46、提高表面活性：b掺杂可以改变催化剂的表面电子分布，提高表面活性位点活性和耐腐蚀性，从而增强oer活性和稳定性。
47、增强催化剂的稳定性：b和c的存在可以形成稳定的化学键，提高催化剂的结构稳定性，防止在高电压下的腐蚀和失活。
48、c.n的作用
49、改善电催化性能：n掺杂能够调节催化剂的电子结构，提高导电性和表面活性，从而提高催化剂的oer活性。
50、提高氢键强度：n可以增强fe-mo金属中心与水分子之间的氢键作用，有助于水分子的解离和氧气的生成。
51、2.对析氧反应过电势的影响
52、降低过电势：fe和mo的协同作用可以有效降低oer的过电势，这是因为双金属活性中心能够更好地稳定中间体(如oh*、o*、ooh*)，从而降低反应能垒。
53、提高反应速率：掺杂b、c、n元素后，催化剂的电子结构得到优化，有助于加快反应速率，进一步降低过电势。
54、3.对反应机理的影响
55、中间体的吸附和解离：fe-mo双金属中心有助于更有效地吸附和解离oer中间体，促进oh-到o2的转化。
56、电子转移：n的掺杂可以增强电子转移效率，提高反应过程中电子的传输速度，从而加快oer进程。
57、4.对催化剂稳定性的影响
58、结构稳定性：b和c的存在可以增强催化剂的化学稳定性，防止在高电压下的分解和失活。
59、抗腐蚀性：fe和mo的协同作用可以提高催化剂的抗腐蚀能力，使其在苛刻的电解环境中保持稳定。
1.一种高活性三维网状金属负载fe-mo-c-n-b析氧反应非贵金属催化剂，其特征在于，催化剂载体包含多孔网状金属和纳米碳材料，催化剂活性组分含有5种元素，分别为fe、mo、c、n、b。
2.根据权利要求1所述的一种高活性三维网状金属负载fe-mo-c-n-b析氧反应非贵金属催化剂，其特征在于，所述催化剂载体在多孔网状泡沫金属表面具有纳米结构，纳米结构在5-100nm，增加比表面积和活性位点。
3.根据权利要求1所述的一种高活性三维网状金属负载fe-mo-c-n-b析氧反应非贵金属催化剂，其特征在于，所述催化剂表面具有一层耐腐蚀涂层，提高其在强酸、强碱等不同环境中的稳定性和使用寿命。
4.根据权利要求1所述的一种高活性三维网状金属负载fe-mo-c-n-b析氧反应非贵金属催化剂，其特征在于，所述催化剂活性组分配方比例为：铁盐的浓度范围为140-180mmol/l，钼酸盐的浓度范围为80-170mmol/l，纳米碳材料的浓度范围为80-150mmol/l，尿素的浓度为110-190mmol/l，硼酸的浓度范围为80-190mmol/l。
5.根据权利要求1所述的一种高活性三维网状金属负载fe-mo-c-n-b析氧反应非贵金属催化剂，其特征在于，纳米碳材料的来源是石墨粉、碳纳米管、石墨烯的一种，粒径直径在5-100nm，均匀分布在多孔网状金属表面，复合比例为三维网状金属质量的3％-20％，具有优异的导电性和机械强度，可以与泡沫金属形成复合结构，提高整体催化剂的性能，铁盐是三氯化铁、硝酸铁中的一种，钼酸盐是钼酸钠、三氧化钼中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种高活性三维网状金属负载fe-mo-c-n-b析氧反应非贵金属催化剂，其特征在于，所述制备方法为溶气体保护煅烧法与液燃烧法、电沉积法的结合，以便于工业化生产。
7.一种高活性三维网状金属负载fe-mo-c-n-b析氧反应非贵金属催化剂在电解水制氢中的应用，其特征在于，采用根据权利要求1至5任一所述的催化剂，降低析氧反应过电势，提高电解水制氢的效率，降低成本，适用于大规模工业生产。
