本发明专利技术提供一种基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂、其制备方法及应用。本发明专利技术利用六水合三氯化铁和尿素制备的低共熔溶剂来制备镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂，所用原料廉价易得、成本低，操作工艺极为简单，反应条件易于实现，不需要高温条件，耗能少，且制备周期短，适于工业化生产。所得到的催化剂是负载于泡沫镍上的镍铁双金属氢氧化物，其中的催化活性成分是镍铁双金属氢氧化物(NiFe‑LDH)，其具有分级结构，即纳米片组成的纳米花状结构。所得催化剂具有较好的电催化电解水和尿素的性能。
Nickel iron bimetallic hydroxide / foam nickel catalyst based on iron trichloride / urea eutectic solvent and its preparation method and Application
【技术实现步骤摘要】
基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂、其制备方法及应用
本专利技术涉及一种基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂、其制备方法及应用，属于能源材料
技术介绍
目前，以石油、煤为代表的传统能源的过度使用造成了极为严重的环境污染，同时能源耗尽的风险，环境污染、能源匮乏等问题引起了人们广泛的关注。为此，需要开发绿色能源以满足人类需求并减少环境污染。其中，氢能具有清洁高效等优点，电催化水裂解是制氢的重要方法之一。然而，在电催化水裂解过程中，由于析氧反应(OER)的存在，水裂解所需要的理论电压为1.23V，极大地限制了电解水的应用。所以，人们需要降低制氢所需要的电压，因此电解尿素应用而生。电解尿素(UOR,CO(NH2)2+H2O＝＝＝N2+3H2+CO2)所需要的理论电压仅为0.37V；更加值得一提的是，电解尿素还可以处理尿素废水，具有更高的应用价值。为了更高效的电解水和尿素，电催化剂的研究成为热点。镍铁双金属氢氧化物(NiFe-LDH)是一种常见的电解水析氧催化剂，其拥有催化性能好，易于制备，结构可调等优点；其制备方法有水热法、电沉积法、浸渍法等等。中国专利文献CN108283926A公开了一种原位生长在泡沫镍上具有层状结构的镍铁双金属氢氧化物的制备方法；采用六水合硝酸镍，九水合硝酸铁，尿素，氟化铵和泡沫镍为主要原料，将六水合硝酸镍，九水合硝酸铁，尿素和氟化铵加入水中混合均匀，然后加入处理后的泡沫镍，最后经水热反应制得。该方法采用水热法，耗能较高，且制备时间较长；所得催化剂作为电催化产氧催化剂在一定程度上提高了碱性条件下的OER催化性能，但OER催化性能仍待进一步提高。同时，目前基于双金属氢氧化物在电解尿素方面的报导仍然是空白。低共熔溶剂是指由一定化学计量比的氢键受体(如季铵盐)和氢键给体(如酰胺、羧酸和多元醇等化合物)组合而成的两组分或三组分低共熔混合物，其凝固点显著低于各个组分纯物质的凝固点。其中最常见的低共熔溶剂为氯化胆碱/尿素，氯化胆碱/丙三醇等。作为离子液体类似物，低共熔溶剂拥有离子液体的优点，同时低共熔溶剂也具有易于制备，生物相容性好，毒性低等独特的优点。因此低共熔溶剂广泛应用于无机纳米材料的制备中。但目前没有应用低共熔溶剂制备镍铁双金属氢氧化物(NiFe-LDH)的报道。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂及其制备方法。本专利技术利用六水合三氯化铁和尿素制备的低共熔溶剂来制备镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂，所用原料廉价易得、成本低，操作工艺极为简单，反应条件易于实现，不需要高温条件，耗能少，且制备周期短，适于工业化生产。所得到的催化剂是负载于泡沫镍上的镍铁双金属氢氧化物，其催化活性成分是镍铁双金属氢氧化物(NiFe-LDH)。本专利技术所制备的镍铁双金属氢氧化物具有分级结构，即纳米片组成的纳米花状结构，具有较大的比表面积和较好的电催化电解水和尿素的性能。本专利技术还提供一种基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂在电催化电解尿素和水中的应用。术语说明：镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂：指镍铁双金属氢氧化物(NiFe-LDH)负载于泡沫镍上，电催化活性成分为镍铁双金属氢氧化物(NiFe-LDH)；泡沫镍主要为载体，电催化活性较差。本专利技术的技术方案如下：一种基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂，所述催化剂中的镍铁双金属氢氧化物为催化活性组分，泡沫镍为载体，镍铁双金属氢氧化物负载于泡沫镍表面；所述镍铁双金属氢氧化物的微观形貌是纳米片组成的纳米花状结构，其中纳米花的直径为0.8-1.2μm，纳米片的厚度为11-14nm。根据本专利技术优选的，所述催化剂是将泡沫镍置于低共熔溶剂中反应制备得到；所述低共熔溶剂是由六水合三氯化铁和尿素为原料制备得到。上述基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂的制备方法，包括步骤：(1)将六水合三氯化铁和尿素混合，40-100℃下加热10min-1h，得到低共熔溶剂；(2)将纯净的泡沫镍浸入步骤(1)得到的低共熔溶剂中，40-100℃下反应10s-1min；然后经洗涤、干燥即得镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂。根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述六水合三氯化铁和尿素的摩尔比为1:3-3:1；优选的，所述六水合三氯化铁和尿素的摩尔比为2:1。根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述加热温度为60℃，加热时间为30min。根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述纯净的泡沫镍制备方法如下：将泡沫镍依次置于0.5-3mol/L的盐酸中超声5-20min、置于水中超声5-15min、置于乙醇中超声5-15min，以除去泡沫镍表面氧化物等杂质，然后经室温真空干燥即得。优选的，所述泡沫镍是尺寸为0.5*0.5cm2-2*2cm2的正方形；进一步优选的，所述泡沫镍的尺寸为1*1cm2。优选的，所述盐酸的摩尔浓度为1mol/L，于盐酸中的超声时间为10min；于水中的超声时间为10min；于乙醇中的超声时间为10min；室温真空干燥时间为12h。根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述反应温度为60℃，反应时间为30s。根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述洗涤是用乙醇和水各洗涤3次；所述干燥是在室温下真空干燥12h。上述基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂的应用，应用于电催化电解尿素或电解水。作为电解尿素或电解水催化剂，应用于电催化、光电催化、碱性水解氢气发生器、尿素废水处理等。本专利技术的技术特点及有益效果如下：1、本专利技术通过将六水合三氯化铁和尿素简单混合快速制备得到低共熔溶剂；然后将纯净的泡沫镍简单的浸入，快速制备得到镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂。本专利技术所用原料廉价易得、成本低；工艺极为简单、操作简便，反应条件易于实现，不需要高温条件，耗能少，且制备周期极短，有利于大规模工业化生产。2、本专利技术利用六水合三氯化铁/尿素这类特定低共熔溶剂，其既做铁源又做溶剂，使用泡沫镍作为镍源的同时又作为载体，成功制备出无机纳米材料镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂。本专利技术涉及的反应方程式如下：CO(NH2)2+H2O→2NH3+CO2(1)NH3+H2O→NH4++OH-(2)2Fe3++Ni→2Fe2++Ni2+(3)Ni2++Fe3++OH-→NiFe-LDH(4)尿素与六水合三氯化铁中的H2O反应，可水解成NH4+和OH-(方程式(1)和(2))。当泡沫镍作为牺牲模板和底物浸入低共熔溶剂时，它会被其中的Fe3+氧化成Ni2+。然后在泡沫镍上Ni2+、Fe3+和OH-原位合成NiFe-LDH纳米结构。在反应过程中，泡沫镍的颜色从最初的银灰色变为暗黄色。本专利技术使用特定的低共熔溶剂制备得到负载于泡沫镍表面的镍铁双金属氢氧化物。其中镍铁双金属氢氧化物作为催化活性成分，其微观形貌是由纳米片组成的纳米花状结构，具有较大的比表面积；而泡沫镍主要是作为载体，可进一步增大比表面积，并有利于电子的传递，但本身催化活性较弱。3.本专利技术制备的催化剂具有优异的电解尿素和电解水的性能。尤其是尿素氧化和电解水析氧的性能，好于目前大本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂，其特征在于，所述催化剂中的镍铁双金属氢氧化物为催化活性组分，泡沫镍为载体，镍铁双金属氢氧化物负载于泡沫镍表面；所述镍铁双金属氢氧化物的微观形貌是纳米片组成的纳米花状结构，其中纳米花的直径为0.8‑1.2μm，纳米片的厚度为11‑14nm。
【技术特征摘要】
2019.05.21 CN 20191042516411.一种基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂，其特征在于，所述催化剂中的镍铁双金属氢氧化物为催化活性组分，泡沫镍为载体，镍铁双金属氢氧化物负载于泡沫镍表面；所述镍铁双金属氢氧化物的微观形貌是纳米片组成的纳米花状结构，其中纳米花的直径为0.8-1.2μm，纳米片的厚度为11-14nm。2.根据权利要求1所述的基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂，其特征在于，所述催化剂是将泡沫镍置于低共熔溶剂中反应制备得到；所述低共熔溶剂是由六水合三氯化铁和尿素为原料制备得到。3.如权利要求1或2任一项所述的基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂的制备方法，包括步骤：(1)将六水合三氯化铁和尿素混合，40-100℃下加热10min-1h，得到低共熔溶剂；(2)将纯净的泡沫镍浸入步骤(1)得到的低共熔溶剂中，40-100℃下反应10s-1min；然后经洗涤、干燥即得镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂。4.根据权利要求3所述的基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述六水合三氯化铁和尿素的摩尔比为1:3-3:1；优选的，所述六水合三氯化铁和尿素的摩尔比为2:1。5.根据权利要求3所述的基于三氯化铁/尿素低...
【专利技术属性】
技术研发人员：李钟号，张晨韵，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37
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