用于ENRR的电催化材料海胆状Co3O4的制备方法技术

用于ENRR的电催化材料海胆状Co3O4的制备方法，属于电催化固氮领域。包括前驱体机械混合，水热得到的固体离心洗涤真空干燥马弗炉煅烧得到海胆状Co3O4。本发明专利技术主要用于制备海胆状Co3O4电催化固氮材料，解决了球形Co3O4用于ENRR性能不佳的问题。ENRR性能不佳的问题。

【技术实现步骤摘要】
用于ENRR的电催化材料海胆状Co3O4的制备方法


[0001]本专利技术属于电催化还原氮气制氨领域，具体公开了用于ENRR的电催化材料海胆状Co3O4的制备方法

技术介绍

[0002]紧迫的能源和环境危机正在推动可持续平台的发展，以产生自然丰富和高效的未来能源载体系统。氨(NH3)作为一种广泛生产的化学品，在农业、医疗和纺织工业等方面都有广泛的应用。然而，工业规模的NH3合成在恶劣条件下仍然严重依赖能源密集型的Haber
‑
Bosch工艺，电化学氮气还原反应(NRR)是一种利用大气中的氮气和水生成NH3的新技术。然而，这一过程必须由高活性催化剂驱动，以降低裂解惰性氮氮三键的高能垒障碍。到目前为止，贵金属基(Au、Rh、Pd等)材料已经建立了作为NRR催化剂的基准行为，但由于储量低和成本高，它们的实际应用受到很大阻碍。因此，开发有潜力的、丰度高、活性高、效率高的非贵金属替代品是十分迫切的。
[0003]过渡金属氧化物(TMOs)具有活性可调、合成简便、环境友好等特点，已成为电化学固定氮的有竞争力的候选材料。其中Co3O4作为性能优良，价格低廉的电催化材料，近年来不断吸引着大家的研究兴趣。但是，球形的Co3O4由于其活性位点较少，限制了其氨产率。
[0004]在电催化氮还原中，为了进一步提高Co3O4材料作为电催化剂的氨产率，我们提出了一个方法去促进电催化氮还原的性能。通过制备一个海胆状Co3O4微球。这种结构增加了活性位点对N2的暴露，从而大大提高了电化学固定N2的活性和效率。在最佳电位
‑
0.3V vs.RHE下，这种海胆状Co3O4微球催化剂的氨产率可以达到49μg
·
h
‑1·
mg
‑1，法拉第效率FE可以达到18.5％。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供海胆状Co3O4微球用于电催化氮还原，以解决了球形Co3O4用于ENRR性能不佳的问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]本专利技术的电催化氮还原用四氧化三钴纳米材料，所述的电极材料为海胆状Co3O4微球的粒径为8
‑
12μm。
[0008]本专利技术的电催化氮还原用四氧化三钴纳米材料的制备方法，反应体系为超纯水溶液，原料为硝酸钴、氟化铵和尿素，具体步骤是：
[0009]将硝酸钴Co(No)3·
6H2O、氟化铵NH4F和尿素，加入超纯水中，搅拌均匀得到浅紫色的溶液；将溶液放入高压釜中，在120℃下反应12小时，离心洗涤，60℃真空干燥，得到浅紫色的前驱体；将前驱体在马弗炉中500℃煅烧2h，升温速率为3min/℃，获得直径8
‑
12μm海胆状Co3O4。
[0010]硝酸钴、氟化铵、尿素的摩尔比为1:2:5，每5mmol硝酸钴对应40
‑
60ml超纯水。
[0011]本专利技术的四氧化三钴纳米材料用于电催化氮还原制备氨气，测试方法具体步骤如
下：
[0012]在典型的H型电解池中，用Nafion 117膜进行了N2还原实验。电化学实验采用三电极体系，即制得的海胆状Co3O4/CP电极、铂片电极和Ag/AgCl电极作为工作电极、对电极和参比电极，在中国上海CH仪器有限公司的CHI 760E电化学分析仪上进行。在实验中，将0.5M的LiClO4电解液进行N2净化30min后，再进行N2还原实验。在N2饱和0.5M的LiClO4溶液中进行了N2电化学还原。在控制电位电解2小时之后，收集阴极池中的电解液进行显色，用紫外分光光度计测其吸光度，计算其氨产率和法拉第效率(FE)。
[0013]NH3生成速率和法拉第效率(FE)的计算
[0014]NH3的生成速率计算公式如下:
[0015][0016]为产氨量，单位为C为电解液中NH3的浓度，单位为μg mL
‑1；V为电解液体积，单位为mL；t为电解时间，单位为h；m
cat
为电极材料的质量，单位为mg。
[0017]FE的计算公式如下:
[0018][0019]FE为法拉第效率，单位为％；F为法拉第常数，其值为96500C mol
‑1；Q为电解过程总的电荷消耗量，单位为C。
附图说明
[0020]图1为制备的海胆状Co3O4微球的SEM和TEM图；
[0021]图2为H型电解池结构示意图；
[0022]图3为不同电势下NH3产率(a)和法拉第效率(b)；
[0023]图4为5个周期的循环稳定性。(a)NH3产率，(b)法拉第效率。
具体实施方式
[0024]以上所述的仅是本专利技术的实施例，方案中公知的具体的测试等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本专利技术结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本专利技术的保护范围，这些都不会影响本专利技术实施的效果和专利的实用性。
[0025]实施例1
[0026]5mmol硝酸钴Co(No)3·
6H2O、10mmol氟化铵NH4F和25mmol尿素，加入50mL超纯水中，磁力搅拌的时间为1h，并得到深紫色的浑浊前溶液。将溶液放入高压釜中，在120℃下反应12小时。离心洗涤，60℃真空干燥，得到浅紫色的前驱体。将前驱体在马弗炉中500℃煅烧2h，升温速率为3min/℃，获得直径8
‑
12μm海胆状Co3O4。
[0027]制备的海胆状Co3O4微球的SEM和TEM图见图1；电催化氮还原制备氨气采用的H型电解池结构示意图见图2；不同电势下NH3产率和法拉第效率见图3；5个周期的循环稳定性见图4(每次循环对应的为换一次相同的电解液)。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于ENRR的电催化材料海胆状Co3O4的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将硝酸钴Co(No)3·
6H2O、氟化铵NH4F和尿素，加入超纯水中，搅拌均匀得到浅紫色的溶液；将溶液放入高压釜中，在120℃下反应12小时，离心洗涤，60℃真空干燥，得到浅紫色的前驱体；将前驱体在马弗炉中500℃煅烧2h，升温速率为3min/℃，获得直径8
‑
12...

【专利技术属性】
技术研发人员：严乙铭，王晓璇，赵瑞，迟新月，熊媛媛，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：