一种纳米片状镍基电催化剂、制备方法和应用

1.本发明涉及电化学催化剂技术领域，具体涉及一种纳米片状镍基电催化剂、制备方法和应用。


背景技术：

2.尿素主要通过氨和二氧化碳化学合成，其中氨的工业来源依赖哈伯-博世方法，其生产的氨80%用于尿素的合成。但该方法涉及能量密集型的化学反应过程，反应温度达到400～500℃，反应压力高达100～200bar，能源消耗占全球能源消耗的2%以上。随着减少对化石燃料的依赖成为能源发展的一种趋势，开发新的低能耗、环保的氨生成途径以满足尿素合成需要已经迫在眉睫，其中通过电催化氮还原反应(n2rr)将大气氮和水转化成为氨是当下热门研究方向，而相应的电催化剂如金属基(bi、au等)或无金属材料(b、p等)被陆续开发。尽管氨合成路径得以改善，氨和二氧化碳反应转化成尿素的过程仍需满足较为苛刻的反应条件。
3.硝酸盐是一种较为非常理想的含固氮反应物，鉴于n=o键(204kjmol
−
1)与n≡n键(941kjmol
−
1)形成鲜明对比，利用no3−
还原反应(no3−
rr)将no3−
或亚硝酸盐与二氧化碳耦合转化成尿素的想法受到化学家的关注。但是实践中，co2/ no3−
的平行电还原与尿素的合成形成强烈竞争，导致合成的尿素中副产品多，合成尿素反应的选择性低，尿素法拉第效率低，同时尿素的收率低，且产品纯化分离困难。所以实现硝酸盐和二氧化碳电化学催化成尿素的关键在于为c-n偶联寻找活性位点，抑制不良的氢演化反应(her)的发生，获得对co2rr（电化学还原co2）的高co选择性和no3−
rr（电化学还原硝酸盐）的高氨选择性，以增加尿素的选择性或者说法拉第效率，而发展合适的电催化剂是解决上述问题的关键。


技术实现要素：

4.针对硝酸盐和二氧化碳电催化转化成尿素的反应中尿素法拉第效率低，尿素收率低的问题，本发明的目的在于提供一种适用于硝酸盐和二氧化碳电催化转化成尿素的纳米片状镍基电催化剂，可以提升制备的尿素的法拉第效率和收率。
5.本发明的另一目的在于提供一种纳米片状镍基电催化剂的制备方法，可以获得良好性能的纳米片状镍基电催化剂。
6.本发明的另一目的为提供该纳米片状镍基电催化剂在电催化硝酸盐和二氧化碳合成尿素上的应用。
7.本发明提供如下的技术方案：一种纳米片状镍基电催化剂，包括纳米片状氢氧化镍基底和负载在氢氧化镍基底上的纳米粒状的金属钯和铁，钯和铁的摩尔比为1～10:1～5。
8.本发明的纳米片状镍基催化剂中，氢氧化镍具有较高的理论比电容和优良的氧化还原性能，在ni(oh)2纳米片上负载fe和pd，其中过渡金属fe位点在还原no
3-方面具有良好的活性和选择性，pd能有效的吸附活性h以及吸收co2，这样通过纳米片状氢氧化镍和fe、pd
的配合，通过调整表面电子结构来优化反应种类的吸附能，并进一步平衡相互竞争的电还原反应，以实现高法拉第效率下形成尿素，使得电催化硝酸盐和二氧化碳转化成尿素的过程具备更高的尿素法拉第效率和收率。
9.作为本发明的优选，所述纳米粒状的金属钯和铁为金属钯和铁的纳米合金颗粒。将两者以合金颗粒形成负载到氢氧化镍表面，具有更高的催化效率。
10.一种镍基片状电催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）取ni(oh)2粉末溶解在水中，加入四氯钯酸钾和三氯化铁溶解后得到混合液；（2）分批次向混合液中加入硼氢化钠溶液后搅拌反应；（3）离心反应后的混合液，收集固体并清洗、干燥得到纳米片状镍基电催化剂pdfe-ni(oh)2。
11.本发明的催化剂的制备方法，通过硼氢化钠还原反应将钯和铁在氢氧化镍表面还原成纳米金属钯和铁，而同时沉积在氢氧化镍表面形成钯铁合金颗粒，得到pdfe-ni(oh)2，具有工艺简单、耗能少、条件温和及产品形貌好等特点，适合大规模生产应用。
12.作为本发明方法的优选，步骤（1）中ni(oh)2粉末经以下过程制备得到：将六水合硝酸镍溶解在三乙二醇溶剂中分散均匀，加入尿素搅拌后移入水热釜里加热反应，然后离心分离沉淀物并清洗、干燥得到ni(oh)2粉末。通过六水合硝酸内水溶合成法制备氢氧化镍，使得氢氧化镍具备纳米花层状结构，催化活性高，且有利于钯和铁的合金沉积，使得k2pdcl4和fecl3形成含有特定pdfe-ni(oh)2的无机化合物。
13.作为本发明方法的优选，六水合硝酸镍与尿素的质量比为5～10:1～3；六水合硝酸镍和溶剂中三乙二醇的质量体积比为1～2g:30～40 ml；三乙二醇溶剂为三乙二醇和水的混合液，两者的体积比例为三乙二醇30～40ml，水0～10ml。
14.作为本发明方法的优选，水热釜的加热温度为110～140℃，加热时间为20～30h。
15.作为本发明方法的优选，步骤（1）中ni(oh)2粉末、四氯钯酸钾、三氯化铁的用量比例为氢氧化镍20～84mg、四氯钯酸钾1～10
µ
mol、三氯化铁1～5
µ
mol。
16.作为本发明方法的优选，步骤（2）中硼氢化钠溶液的浓度为8～12mmol/l；硼氢化钠溶液与三氯化铁用量比例为硼氢化钠溶液5～10ml、三氯化铁1～5
µ
mol。
17.作为本发明方法的优选，步骤（3）中干燥温度≤60℃。
18.上述镍基片状电催化剂或上述制备方法制备的镍基片状电催化剂在电催化硝酸盐或亚硝酸盐与二氧化碳合成尿素上的应用。将本发明的镍基片状电催化剂pdfe-ni(oh)2应用在硝酸盐和二氧化碳电催化反应中合成尿素，可以获得更高的尿素收率和法拉第效率。
19.本发明的有益效果如下：本发明的镍基片状电催化剂应用在硝酸盐和二氧化碳电催化反应中合成尿素，电催化反应条件温和，能耗低，环保，且可以提高尿素的收率和法拉第效率，同时本技术提供的催化剂制备方法具有工艺简单、耗能少、条件温和及产品形貌好等特点，适合大规模生产应用。
附图说明
20.图1是实施例1～4制备的pdfe-ni(oh)2电催化剂的tem表征图。
21.图2是实施例1制备的pdfe-ni(oh)2电催化剂的xrd表征图。
22.图3是实施例1制备的pdfe-ni(oh)2电催化剂在-0.5v电压下的循环稳定性曲线。
23.图4是实施例2制备的pdfe-ni(oh)2电催化剂合成尿素法拉第效率和收率图。
24.图5是各实施例和对比例制备的电催化剂合成尿素法拉第效率和收率图。
具体实施方式
25.下面就本发明的具体实施方式作进一步说明。
26.如无特别说明，本发明中所采用的原料均可从市场上购得或是本领域常用的，如无特别说明，下述实施例中的方法均为本领域的常规方法。
27.实施例1一种纳米片状镍基电催化剂pdfe-ni(oh)2，由纳米片状氢氧化镍基底和负载在氢氧化镍基底上的纳米粒状的金属钯和铁组成，其制备过程如下：（1）取ni(oh)2粉末84mg，溶解在50ml的去离子水中，称取9.6 umol的k2pdcl4和2. 4umol的 fecl3溶液，充分溶解形成混合液；（2）向混合液中分批加入10mmol /l的nabh4溶液(每次1ml，加6次)，加入完成后，充分搅拌1h反应；（3）将反应后的混合液离心处理，收集固体，然后乙醇和去离子水分别清洗3次，再转移到真空烘箱60℃下风干24h。
28.其中所用ni(oh)2粉末制备方法如下：将1.45g六水合硝酸镍，溶解在10ml离子水和40ml三乙二醇的混合溶液中，先超声10min，再加入0.6g的尿素，充分搅拌2h，移入水热釜里加热至120℃并保持24h，反应结束后，离心分离，用去离子水和无水乙醇过滤沉淀物，洗涤数次，注意转速不可以过快，最后在真空烘箱60℃下风干。
29.实施例2一种纳米片状镍基电催化剂pdfe-ni(oh)2，由纳米片状氢氧化镍基底和负载在氢氧化镍基底上的纳米粒状的金属钯和铁组成，其制备过程如下：（1）取ni(oh)2粉末42mg，溶解在50ml的去离子水中，称取9.6 umol的k2pdcl4和2. 4umol的fecl3溶液，充分溶解形成混合液；（2）向混合液中分批加入10mmol /l的nabh4溶液(每次1ml，加6次)，加入完成后，充分搅拌1h反应；（3）将反应后的混合液离心处理，收集固体，然后乙醇和去离子水分别清洗3次，再转移到真空烘箱60℃下风干24h。
30.其中所用ni(oh)2粉末制备方法如下：将1.45g六水合硝酸镍，溶解在10ml离子水和40ml三乙二醇的混合溶液中，先超声10min，再加入0.6g的尿素，充分搅拌2h，移入水热釜里加热至120℃并保持24h，反应结束后，离心分离，用去离子水和无水乙醇过滤沉淀物，洗涤数次，注意转速不可以过快，最后在真空烘箱60℃下风干。
31.实施例3一种纳米片状镍基电催化剂pdfe-ni(oh)2，由纳米片状氢氧化镍基底和负载在氢
氧化镍基底上的纳米粒状的金属钯和铁组成，其制备过程如下：（1）取ni(oh)2粉末28mg，溶解在50ml的去离子水中，称取9.6 umol的k2pdcl4和2.4 umol的 fecl3溶液，充分溶解形成混合液；（2）向混合液中分批加入10mmol /l的nabh4溶液(每次1ml，加6次)，加入完成后，充分搅拌1h反应；（3）将反应后的混合液离心处理，收集固体，然后乙醇和去离子水分别清洗3次，再转移到真空烘箱60℃下风干24h。
32.其中所用ni(oh)2粉末制备方法如下：将1.45g六水合硝酸镍，溶解在10ml离子水和40ml三乙二醇的混合溶液中，先超声10min，再加入0.6g的尿素，充分搅拌2h，移入水热釜里加热至120℃并保持24h，反应结束后，离心分离，用去离子水和无水乙醇过滤沉淀物，洗涤数次，注意转速不可以过快，最后在真空烘箱60℃下风干。
33.实施例4一种纳米片状镍基电催化剂pdfe-ni(oh)2，由纳米片状氢氧化镍基底和负载在氢氧化镍基底上的纳米粒状的金属钯和铁组成，其制备过程如下：（1）取ni(oh)2粉末21mg，溶解在50ml去离子水中，称取9.6 umol的k2pdcl4和2.4 umol 的fecl3溶液，充分溶解形成混合液；（2）向混合液中分批加入10mmol /l的nabh4溶液(每次1ml，加6次)，加入完成后，充分搅拌1h反应；（3）将反应后的混合液离心处理，收集固体，然后乙醇和去离子水分别清洗3次，再转移到真空烘箱60℃下风干24h。
34.其中所用ni(oh)2粉末制备方法如下：将1.45g六水合硝酸镍，溶解在10ml离子水和40ml三乙二醇的混合溶液中，先超声10min，再加入0.6g的尿素，充分搅拌2h。移入水热釜里加热至120℃并保持24h，反应结束后，离心分离，用去离子水和无水乙醇过滤沉淀物，洗涤数次，注意转速不可以过快，最后在真空烘箱60℃下风干。
35.对比例1以ni(oh)2作为电催化剂，制备过程与实施例1中氢氧化镍粉末制备过程相同。
36.对比例2制备pd
‑ꢀ
ni(oh)2作为电催化剂，制备过程与实施例1相比在步骤（1）中省略fecl3的添加。
37.性能测试1、电催化剂pdfe-ni(oh)2的表观形貌将实施例1～4制备的电催化剂pdfe-ni(oh)2进行tem表征，结果图1所示，其中图1(a)、1(b)、1 (c)、1(d)依次对应实施例1、2、3、4的电催化剂pdfe-ni(oh)2。
38.从图中可以看出，各实施例制备的电催化剂pdfe-ni(oh)2中，ni(oh)2为纳米花层状结构，且pdfe合金颗粒均匀的负载在纳米片上。
39.2、电催化剂pdfe-ni(oh)2的xrd表征实施例1制备的电催化剂的xrd表征结果如图2所示。从图中可知，ni(oh)2主峰能很好的匹配。
40.3、电催化剂pdfe-ni(oh)2的电流循环稳定性测试
将实施例1制备的电催化剂pdfe-ni(oh)2共4mg，加入750ul去离子水、200 ul异丙醇和50ul萘酚制成催化剂溶液，取30ul滴加在1cm*1cm碳纸上，然后用电极夹夹住碳纸作为工作电极，银/氯化银电极作为参比电极，铂网作为对电极形成三电解体系，以0.1m kno3 0.1m khco3的混合液作为电解质溶液，通入co2下测试其循环稳定性能，施加电压为-0.5v，结果如图3所示。
41.从图中可知，在测试范围内，整个催化体系的电流保持了相当理想的稳定性。
42.4、电催化剂pdfe-ni(oh)2的二氧化碳硝酸c-n耦合催化活性测试将实施例2制备的电催化剂pdfe-ni(oh)2共4mg，加入750ul去离子水、200ul异丙醇和50ul萘酚制成催化剂溶液，取30ul滴加在1cm*1cm碳纸上，然后用电极夹夹住碳纸作为工作电极，银/氯化银电极作为参比电极，铂网作为对电极形成三电解体系，以0.1m kno3 0.1m khco3的混合液作为电解质溶液，通入co2测试催化反应结果，以尿素收率和法拉第效率为指标，施加电压范围为-0.6～-0.1v，结果如图4所示。从图中可知，在-0.5v rhe电压下尿素合成活性和法拉第效率最高。
43.5、各实施例和对比例的电催化剂二氧化碳硝酸c-n耦合催化活性测试将各实施例和对比例制备的电催化剂分别取4mg，各自加入750ul去离子水、200ul异丙醇和50ul萘酚制成催化剂溶液，取30ul滴加在1cm*1cm碳纸上，然后用电极夹夹住碳纸作为工作电极，银/氯化银电极作为参比电极，铂网作为对电极形成三电解体系，以0.1m kno3 0.1m khco3的混合液作为电解质溶液，通入co2测试催化反应结果，以尿素收率和法拉第效率为指标，施加电压-0.5v，结果如图5所示。从图中可知，实施例2制备的催化剂的具备最佳的尿素法拉第效率和收率，而各实施例的催化剂性能均优于各对比例。