一种核壳结构金-镍合金纳米催化剂的制备方法及其应用技术

一种核壳结构金

【技术实现步骤摘要】
一种核壳结构金
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镍合金纳米催化剂的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及合金纳米催化剂制备
，具体涉及一种核壳结构金
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镍合金纳米催化剂的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]近年来，人类社会的工业化发展严重依赖煤、石油和天然气等化石能源的过度开发和利用。利用这些不可再生的化石能源不但不可持续发展，而且会导致大气中的CO2浓度急剧升高，产生一系列严重的能源和环境问题，如温室效应、气候异常等威胁着人类长久的生存。2019年，地球的CO2浓度已经高达410ppm，且这一数值还在持续升高。当前，各个国家都在寻求新方法、新技术来减少CO2的排放，这也是当代人类面临的首要科学难题。自然界中植物通过光合作用转化吸收CO2的速度远低于人类排放CO2的速度。因此，寻求方法将CO2转化为碳基能源物质如CO、甲烷和乙烯等供人类利用，可以加速闭合地球碳循环系统，起到了一举两得的作用。在当前所有的CO2转化方法中，电催化还原CO2的反应条件温和，不需要高温高压，更加可靠的同时具有其他手段无法比拟的高能量利用效率。因此，电催化还原CO2对于解决当前CO2问题具有重大研究意义。
[0003]研究表明，利用不同种类的催化剂可以将CO2还原为多种产物，如CO、甲烷、乙烯、甲醇和乙醇等。考虑到市场价格和当前工业化水平，CO是最理想的产物。CO是合成气(CO和氢气的混合物)的重要组分，工业上通过费托合成可以将合成气转化为液态的烃或碳氢化合物。目前研究的所有金属元素中，金对于将CO2还原为CO具有最高的催化活性，通过调控催化剂的结构，可以实现对于CO的90％以上的法拉第效率。然而，金在地球上的储量稀少、价格昂贵，限制了其工业化应用的进程。近年来纳米材料的兴起为催化剂的开发提供了指导，纳米催化剂具有很高的比表面积，提高了有效催化点位的数量，从而提高了催化性能。目前研究纳米催化剂的重点是调控材料的微观尺寸、形貌和组分等提高贵金属的质量活性和催化性能，达到减少贵金属用量的目的。
[0004]当前，金基催化剂的调控手段主要通过构建特定形貌实现特定活性面的暴露，以及制造缺陷增加活性点位等。通过上述方法，催化活性可得到有效提高，然而金的用量没有显著降低，活性没有本质性的提升。同时，精准的调控手段操作复杂，对工艺条件的要求很高，难以实现大规模工业化生产。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决现有贵金属金基催化剂电催化还原CO2为CO的催化性能低、稳定性差，以及价格昂贵、难以实际应用的问题，而提供一种核壳结构金
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镍合金纳米催化剂的制备方法及其应用。
[0006]一种核壳结构金
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镍合金纳米催化剂的制备方法，按以下步骤进行：
[0007]一、制备前驱体混合液：将金盐化合物、镍盐化合物和还原剂加入到高沸点有机溶剂中，在惰性气体气氛以及20～80℃的温度条件下搅拌均匀，得到前驱体混合液；所述金盐
化合物的质量、镍盐化合物的质量和还原剂的质量与高沸点有机溶剂的体积的比为(0.001～1)g：(0.0015～1.5)g：(0.07～70)g：(1～1000)mL；所述金盐化合物中金元素与镍盐化合物中镍元素的摩尔比为3：1；
[0008]二、溶剂热反应：将表面活性剂加入到前驱体混合液中，混合均匀，得到混合物，所述表面活性剂的质量与前驱体混合液的体积的比为(0.005～5)g：(1～1000)mL；在惰性气体气氛下，将混合物的温度升高至240～290℃，并在240～290℃下保温0.5～3h，然后冷却至室温，得到产物A，向产物A中加入有机溶剂进行搅拌、分离，去除上层液体、收集沉淀，得到沉淀后的产物A；
[0009]三、纯化、分散产物，复合：采用混合清洗液将沉淀后的产物A清洗3
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5次，得到纯化后的产物A；将纯化后的产物A分散在有机溶剂中，得到分散液；将纳米碳材料加入到分散液中，超声混合，离心分离，去除上清液，得到复合固体产物，烘干，得到金
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镍合金纳米催化剂；
[0010]四、制备预活化工作电极、核壳结构金
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镍合金纳米催化剂：将金
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镍合金纳米催化剂、Nafion溶液和溶剂经超声混合，得到催化剂墨汁，所述金
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镍合金纳米催化剂的质量、Nafion溶液的体积与溶剂的体积的比为(0.1～100)mg：(0.4～400)μL：(0.025～25)mL；将催化剂墨汁均匀喷涂在碳纸上，喷涂结束后烘干，得到预活化工作电极；将预活化工作电极放置在“H”型电解池的阴极区内作为阴极，所述“H”型电解池的阴极区与阳极区用Nafion质子交换膜分隔开，阳极区内用石墨或铂电极作为阳极，阴极区内放置饱和甘汞电极作为参比电极；将阴极区和阳极区内加入碳酸盐类电解液，阴极区在惰性气体保护下，以
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1.2V～
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2V的电压通电反应10～180min，得到核壳结构金
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镍合金纳米催化剂。
[0011]一种核壳结构金
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镍合金纳米催化剂的应用，所述核壳结构金
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镍合金纳米催化剂作为工作电极，用于电催化还原CO2制CO；所述核壳结构金
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镍合金纳米催化剂用于电催化还原CO2制CO的具体步骤如下：
[0012]1)反应器组装：采用“H”形的三电极电解池，利用Nafion 117质子离子交换膜将“H”形的三电极电解池的阴极池与阳极池隔开，采用浓度为0.5mol/L的KHCO3水溶液作为电解液，将电解液倒入“H”形的三电极电解池中，至“H”形的三电极电解池内的阳极池与阴极池之间的通道注满电解液为止，以铂片为对电极，将对电极置于阳极池内，工作电极和参比电极置于阴极池内，所述参比电极为饱和KCl的Ag/AgCl电极，在阴极池内开设阴极区进气口和阴极区出气口，CO2进气管通过阴极区进气口延伸至电解液液面以下，阴极区出气口与气体收集装置连通，在阴极池中放置1个磁力搅拌转子，采用密封件对阴极池密封，并对工作电极和参比电极与密封件的接触处进行密封，得到电催化还原CO2制CO的装置；
[0013]2)电催化还原：以20mL/min的气体流量通过CO2进气管向阴极池的电解液中通入二氧化碳气体，通入30min后，启动电源和磁力搅拌器，在CO2气体流量为1～30mL/min、磁力搅拌转速为500～1200r/min和工作电极的电势为
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1～
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1.8V的条件下进行CO2电催化还原，气体收集装置通过阴极区出气口收集阴极池内反应产生的气体，完成电催化还原CO2制CO。
[0014]本专利技术的有益效果：
[0015](1)本专利技术一种核壳结构金
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镍合金纳米催化剂的制备方法，首先通过溶剂热合成法，将金盐和镍盐化合物作为前驱体，表面活性剂作为纳米胶束，醇类化合物作为还原剂，高沸点有机溶剂作为反应溶剂，制备出粒径和元素分布均一的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核壳结构金
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镍合金纳米催化剂的制备方法，其特征在于该制备方法按以下步骤进行：一、制备前驱体混合液：将金盐化合物、镍盐化合物和还原剂加入到高沸点有机溶剂中，在惰性气体气氛以及20～80℃的温度条件下搅拌均匀，得到前驱体混合液；所述金盐化合物的质量、镍盐化合物的质量和还原剂的质量与高沸点有机溶剂的体积的比为(0.001～1)g：(0.0015～1.5)g：(0.07～70)g：(1～1000)mL；所述金盐化合物中金元素与镍盐化合物中镍元素的摩尔比为3：1；二、溶剂热反应：将表面活性剂加入到前驱体混合液中，混合均匀，得到混合物，所述表面活性剂的质量与前驱体混合液的体积的比为(0.005～5)g：(1～1000)mL；在惰性气体气氛下，将混合物的温度升高至240～290℃，并在240～290℃下保温0.5～3h，然后冷却至室温，得到产物A，向产物A中加入有机溶剂进行搅拌、分离，去除上层液体、收集沉淀，得到沉淀后的产物A；三、纯化、分散产物，复合：采用混合清洗液将沉淀后的产物A清洗3
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5次，得到纯化后的产物A；将纯化后的产物A分散在有机溶剂中，得到分散液；将纳米碳材料加入到分散液中，超声混合，离心分离，去除上清液，得到复合固体产物，烘干，得到金
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镍合金纳米催化剂；四、制备预活化工作电极、核壳结构金
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镍合金纳米催化剂：将金
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镍合金纳米催化剂、Nafion溶液和溶剂经超声混合，得到催化剂墨汁，所述金
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镍合金纳米催化剂的质量、Nafion溶液的体积与溶剂的体积的比为(0.1～100)mg：(0.4～400)μL：(0.025～25)mL；将催化剂墨汁均匀喷涂在碳纸上，喷涂结束后烘干，得到预活化工作电极；将预活化工作电极放置在“H”型电解池的阴极区内作为阴极，所述“H”型电解池的阴极区与阳极区用Nafion质子交换膜分隔开，阳极区内用石墨或铂电极作为阳极，阴极区内放置饱和甘汞电极作为参比电极；将阴极区和阳极区内加入碳酸盐类电解液，阴极区在惰性气体保护下，以
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1.2V～
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2V的电压通电反应10～180min，得到核壳结构金
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镍合金纳米催化剂。2.根据权利要求1所述的一种核壳结构金
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镍合金纳米催化剂的制备方法，其特征在于步骤一中所述的金盐化合物为乙酸金或四水合氯金酸，所述镍盐化合物为乙酰丙酮镍或氯化镍，所述还原剂为1,2
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十六烷二醇、乙二醇或丙三醇，所述高沸点有机溶剂为辛醚或十八烯，所述惰性气体为氮气或氩气。3.根据权利要求1所述的一种核壳结构金
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镍合金纳米催化剂的制备方法，其特征在于步骤一中将金盐化合物、镍盐化合物和还原剂加入到高沸点有机溶剂中，在惰性气体气氛以及20～80℃的温度条件下，以300～1000r/min的转速搅拌10～60min，得到前驱体混合液。4.根据权利要求1所述的一种核壳结构金
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镍合金纳米催化剂的制备方法，其特征在于步骤二中所述的表面活性剂为油胺、油酸和聚乙烯聚吡咯烷酮中的一种或几种，表面活性剂与前驱体混合液的混合时间为30～120min。5.根据权利要求1所述的一种核壳结构金
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镍合金纳米催化剂的制备方法，其特征在于步骤二中在氩气气氛下，以3～10℃/min的升温速率将混合物的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志江，孙堃，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：