一种钼基电催化剂及其制备方法和双功能电解池及其应用

1.本发明属于制氢技术领域，具体涉及一种钼基电催化剂及其制备方法和双功能电解池及其应用。


背景技术：

2.近年来，全球能源危机和环境污染严重危害着人类的生存。因此，发展清洁和可再生能源是非常有必要的。氢气作为一种清洁能源而被广泛关注，在众多制氢方式中，电催化分解水，被认为是一种广泛应用的制氢方法，但此方法也受到水氧化四电子半反应的限制，反应动力学缓慢，过电位较高，需要施加较高电压，从而具有挑战性。研究表明，通过用更易氧化的分子取代缓慢的水氧化半反应，可以克服这一限制。
3.现有实用新型专利：尿素电解用于废水处理和煤液化供氢的系统（公开号cn208183082u）公开了利用尿素电解获得高纯的氢气，但是所采用的工艺和装置复杂，成本高。现有发明专利申请：一种电解水和电解尿素用阳极催化剂及其制备方法（公开号cn110237860a）公开了用催化剂进行电解水和尿素性能的研究，但是其催化剂的制备需要使用具有污染性的原料，且并未研究电解池池电压是否变化。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种钼基电催化剂及其制备方法和双功能电解池及其应用，钼基电催化剂制备采用的原料易得，成本低，制备工艺操作简单，双功能电解池以制得的钼基电催化剂为工作电极，以氢氧化钾和尿素的混合溶液作为电解液，应用于制氢和尿素废水降解，提高了制氢效率，同时氧化降解了尿素污染物，绿色环保。
5.本发明提供了如下的技术方案：第一方面，提供一种钼基电催化剂的制备方法，包括以下步骤：将钼酸铵和聚乙二醇加入水中，搅拌均匀，然后继续加入浓硝酸，搅拌后获得混合溶液；将混合溶液投入反应釜中进行水热反应，反应结束后冷却，产物经离心、洗涤和干燥，获得钼基电催化剂α-moo3。
6.进一步的，所述钼酸铵与聚乙二醇的质量比为2.9~3.1：1。
7.进一步的，所述浓硝酸的质量分数为65~68%。
8.进一步的，将钼酸铵和聚乙二醇加入水中后搅拌20~40min，加入浓硝酸后搅拌20~40min。
9.进一步的，水热反应的温度为150~170℃，反应时间为22~26h。
10.第二方面，提供一种钼基电催化剂，采用第一方面所述的钼基电催化剂的制备方法制备获得。
11.第三方面，提供一种双功能电解池，采用第二方面所述的钼基电催化剂为工作电
极。
12.第四方面，提供一种第三方面所述的双功能电解池的应用，应用于制氢和尿素废水降解。
13.进一步的，在所述双功能电解池中加入氢氧化钾和尿素的混合溶液作为电解液，以铂丝作为另一工作电极。
14.进一步的，在制氢和尿素废水降解过程中施加1.3～1.6v的电压。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）本发明提供的钼基电催化剂的制备方法，采用的原料易得，成本低，绿色环保，制备工艺操作简单；（2）本发明提供的双功能电解池，以制得的钼基电催化剂为工作电极，以氢氧化钾和尿素的混合溶液作为电解液，相比传统的电解水系统，有效降低了电解池电压，电解高效，提高了制氢效率，同时氧化降解了尿素污染物，适用于制氢和尿素废水降解。
附图说明
16.图1是实施例1制备的钼基电催化剂α-moo3的xrd图；图2是实施例1制备的钼基电催化剂α-moo3的sem图；图3是实施例4中α-moo3分别在1 m koh和1 m koh 0.5 m urea电解体系中的阳极氧化反应性能图；图4是实施例4中α-moo3分别在1 m koh和1 m koh 0.5 m urea电解体系中的阴极还原反应性能图。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
18.实施例1室温下，将1.23g的钼酸铵和0.4g的聚乙二醇加入到盛有30ml水的烧杯中，搅拌30min；然后加入5ml浓度为65%-68%的硝酸，搅拌30min后，转移到聚四氟乙烯内衬中，在160℃恒温下水热反应24h；反应完全后，自然冷却至室温，用乙醇和水洗涤、离心、干燥，产物即为钼基电催化剂α-moo3。
19.图1为本实施例制备的α-moo3的x射线衍射（xrd）图，由图可见，本实施例所制备的产品与α-moo3标准卡（jcpds: 89-7112）一致，说明所制备的产品为纯相的α-moo3电催化剂。
20.图2为本实施例制备的α-moo3的扫描电子显微镜（sem）图，由图可见，本实施例所制备的α-moo3形貌为纳米线，直径为200-300nm，长度为5-10μm。
21.实施例2室温下，将1.2g的钼酸铵和0.4g的聚乙二醇加入到盛有30ml水的烧杯中，搅拌30min；然后加入5ml浓度为65%-68%的硝酸，搅拌30min后，转移到聚四氟乙烯内衬中，在160℃恒温下水热反应24h；反应完全后，自然冷却至室温，用乙醇和水洗涤、离心、干燥，产物即为钼基电催化剂α-moo3，其xrd图和sem图与实施例1相同。
22.实施例3
室温下，将1.20g的钼酸铵和0.387g的聚乙二醇加入到盛有28ml水的烧杯中，搅拌20min；然后加入4.9ml浓度为65%-68%的硝酸，搅拌20min后，转移到聚四氟乙烯内衬中，在170℃恒温下水热反应22小时；反应完全后，自然冷却至室温，用乙醇和水洗涤、离心、干燥，产物即为钼基电催化剂α-moo3，其xrd图和sem图与实施例1相同。
23.实施例4将实施例1制得的α-moo3和乙炔黑、聚偏氟乙烯以质量比为8:1:1混合，分散在1-甲基-2-吡咯烷酮中，在搅拌下形成均匀的浆液；将浆料涂覆在泡沫镍上，然后在室温下干燥24小时，涂覆面积为1cm
×
1cm，得到α-moo3电极。
24.将制得的α-moo3电极作工作电极，铂丝作对电极，ag/agcl为参比电极，构成双功能电解池。在此三电极体系，施加一定的电压，分别在1m koh和1m koh（氢氧化钾）＋0.5m urea（尿素）中进行电催化性能测试。
25.由图3和4可见，尿素的加入大幅降低了电解水的过电位。
26.如图3所示，对于阳极氧化反应，在koh电解体系中，水氧化反应需要1.611v的高压才能达到40ma/cm2，而koh urea电解体系只要1.365v就能达到40 ma/cm2。
27.如图4所示，对于阴极还原反应，电解koh系统和koh urea系统的析氢反应分别需要-0.319v和-0.246v的电压达到40ma/cm2，要达到40 ma/cm2，koh电解体系的池电压为1.93v，而koh urea电解体系的池电压仅为1.611v，池电压降低了16.53%，因为尿素氧化反应代替缓慢的四电子水氧化半反应，进而减少了电解水的能耗，并促进产氢。因此，该双功能电解池设计是节能的，在低压高效电解水制氢的同时，降解了尿素污染物。
28.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。