一种低温等离子体调控性能的电催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种低温等离子体调控性能的电催化剂及其制备方法与应用。该方法包括：通过液相沉积法制备铜基催化剂，然后以氩气、氢气、空气或氧气等作为等离子体腔室的反应气氛，通过低温等离子体技术对铜基催化剂表面进行处理，在其表面引入氧空位、羟基官能团等不饱和活性位点。低温等离子体技术用于催化剂性能调控，其工艺简单，能耗较低，无需添加额外化学试剂，环境友好，应用前景良好。本发明专利技术所述电催化剂制备及调控方法可适用于电催化硝酸盐定向还原为氨的应用，与原材料相比，等离子体调控后的材料在硝酸盐还原反应中具有更高的电流密度、法拉第效率和氨转化的选择性，展现出更优异的电催化活性和稳定性。出更优异的电催化活性和稳定性。出更优异的电催化活性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种低温等离子体调控性能的电催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及属于电催化材料
，具体涉及一种低温等离子体调控性能的电催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]氮是所有地球生态系统和人类社会活动的基本元素，然而由于人类活动导致地下水及其他水体中硝态氮含量增加，造成的氮循环失衡，已构成影响人类和生态系统平衡的重大环境问题。为了避免硝酸盐过剩带来的危害，实现人工可持续氮循环，目前已经开发了许多治理技术，包括生物反硝化、物理化学移除以及电催化技术等。生物反硝化是目前成熟且普遍的技术，然而受微生物生长限制，并不适用于各类水体，且可能导致有机物残留和致病菌的产生，需后续严格处理才能保证水质安全。
[0003]利用电催化技术实现硝酸盐选择性降解被认为是高效治理地下水和工业废水中硝酸盐污染的最有效途径之一。从某种意义上讲，硝酸盐的电催化还原与微生物反硝化作用类似，都是通过电子转移实现硝酸盐还原，而电催化技术具有诸多不可比拟的优点：1.环境友好性。无需额外添加碳源和化学试剂，无毒副产物和致病菌残留，避免产生二次环境污染；2.高效选择性。通过对电流、电压和电极的选择，可实现对反应产物高效选择性，可将硝酸盐选择性还原为高附加值产物氨；3.经济性。能有效利用可再生能源(如太阳能和风能等)所提供的电力，降低电力成本，运行维护费用更低；4.灵活可控性。电化学还原可在常温常压的小型反应器中进行，无需大型设备，占地面积小，易于自动化，安装操作方便灵活。因此，利用电催化技术实现硝酸盐的还原降解，可以在治理水体硝酸盐污染的同时，实现氮循环合理优化，减少化石燃料驱动，促进可持续发展。
[0004]电催化剂是电化学还原反应的关键，开发可实现硝酸盐降解及产物选择性调控的高性能高稳定性催化剂是亟待解决的难题。曾有研究表明缺陷工程是调节过渡金属氧化物电催化剂的表界面特性和能带结构的有效策略，缺陷的引入可促进电子转移，影响活性物种在电催化反应中的吸附/解吸能，从而有效提高催化剂的电催化活性。目前，硝酸根的电化学还原仍然存在着转化率低、电流效率低、析氢反应竞争性强、对氨选择性差以及副产物亚硝酸根浓度偏高等问题(Liu,J.X.,Richards,D.,Singh,N.&Goldsmith,B.R.Activity and Selectivity Trends in Electrocatalytic Nitrate Reduction on Transition Metals.ACS Catal.2019,9,7052
–
7064.；Shih,Y.
‑
J.,Wu,Z.
‑
L.,Lin,C.
‑
Y.,Huang,Y.
‑
H.&Huang,C.
‑
P.Manipulating the crystalline morphology and facet orientation of copper and copper
‑
palladium nanocatalysts supported on stainless steel mesh with the aid of cationic surfactant to improve the electrochemical reduction of nitrate and N
2 selectivity.Appl.Catal.B Environ.2020,273,119053.)，合理调控阴极材料的性能是未来研发的关键。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种低温等离子体调控性能的电催化剂及其制备方法与应用。
[0006]本专利技术的目的在于提出一种基于低温等离子体技术调控电催化剂性能的方法。
[0007]本专利技术的另一目的在于提供基于上述低温等离子体技术制备铜基氧化物电催化剂及电极的制备方法。
[0008]本专利技术的再一目的在于提供上述电催化剂在硝酸盐电催化还原方面的应用。
[0009]本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0010]本专利技术先通过液相沉积法制备铜基催化剂，然后以氩气、氢气、空气或氧气等作为等离子体腔室的放电气体，通过低温等离子体技术对铜基催化剂进行表面处理，在其表面引入氧缺陷。采用等离子体处理后的材料制备电极，并应用其于硝酸盐电催化还原反应的阴极，可有效提升其电催化活性、法拉第效率及稳定性。
[0011]本专利技术提供的低温等离子体调控性能的电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0012](1)通过液相沉积法制备铜基催化剂：将铜盐、表面活性剂加入去离子水中，混合均匀得到混合液，调节所述混合液的pH为碱性，然后加入还原剂，在搅拌状态下升温进行加热反应，得到铜基催化剂；
[0013](2)等离子体技术处理：将步骤(1)所述铜基催化剂研磨成粉，然后均匀涂布在平台(优选刚玉片)上，转移至反应器(低温等离子体腔室)中，通入反应气体，进行等离子体处理，得到所述低温等离子体调控性能的电催化剂。
[0014]进一步地，步骤(1)所述铜盐为硫酸铜、硝酸铜及氯化铜等中的一种以上；步骤(1)所述表面活性剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮等中的一种；步骤(1)所述还原剂为葡萄糖、抗坏血酸及硼氢化钠等中的一种以上。
[0015]进一步地，步骤(1)中，按照质量份数计，
[0016]铜盐
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10
‑
50份；
[0017]表面活性剂 0
‑
120份；
[0018]水
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
1000份；
[0019]还原剂
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ5‑
20份。
[0020]进一步地，步骤(1)中，所述混合液的pH值调节为9.0
‑
12.0；
[0021]优选地，步骤(1)中，可以采用NaOH溶液或KOH溶液对混合液的pH进行调节。
[0022]进一步地，步骤(1)所述加热反应的温度为20
‑
60℃，加热反应的时间为30
‑
420min。
[0023]优选地，步骤(1)所述加热反应的温度为60℃。
[0024]进一步地，步骤(2)所述反应气体为氩气、氢气、空气及氧气等中的一种以上；
[0025]进一步地，步骤(2)中，反应器通入等离子体后，反应器内的压强为1
‑
30Pa。
[0026]优选地，在步骤(2)通入反应气体前，对反应器内抽真空20分钟以上，以确保没有其他气体残留。
[0027]进一步地，步骤(2)所述等离子体处理的射频功率为50
‑
450W，等离子体处理的时间为1
‑
100min，等离子体处理的温度为20
‑
60℃。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低温等离子体调控性能的电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将铜盐、表面活性剂加入水中，混合均匀得到混合液，调节所述混合液的pH为碱性，然后加入还原剂，在搅拌状态下升温进行加热反应，得到铜基催化剂；(2)将步骤(1)所述铜基催化剂研磨成粉，然后均匀涂布在平台上，转移至反应器中，通入反应气体，进行等离子体处理，得到所述低温等离子体调控性能的电催化剂。2.根据权利要求1所述的低温等离子体调控性能的电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述铜盐为硫酸铜、硝酸铜及氯化铜中的一种以上；步骤(1)所述表面活性剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮中的一种；步骤(1)所述还原剂为葡萄糖、抗坏血酸及硼氢化钠中的一种以上。3.根据权利要求1所述的低温等离子体调控性能的电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，按照质量份数计，4.根据权利要求1所述的低温等离子体调控性能的电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混合液的pH值调节为9
‑
12；步骤(1)所述加热反应的温度为20
‑
60℃，加热反应的时间为30
‑
420min。5.根据权利要求1所述的低温等离子体调控性能的电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述反应气体为氩气、氢气、空气及氧气中的一种以上，步骤(2)中，反应器通入反应气体后，反应器内的气体压强为1
‑
30Pa。6.根据权利要求1所述的低温等离子体调控性能的电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述等离子体处理的射频功率为50
‑
450W，等离子体处理的时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈燕，宫志恒，何祖韵，钟文烨，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：