一种异原子掺杂镍铜双金属高效氨催化电极的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种异原子掺杂镍铜双金属高效氨催化电极的制备方法，包括以下步骤：将电极基底分别在稀盐酸、无水乙醇和去离子水中进行超声处理，去除表面污染物，烘干；将镍盐、铜盐以及异原子化合物的混合溶液和预处理后的电极基底，密封于高压反应釜内；在干燥箱中恒温水热处理，待冷却取出电极基底，水洗烘干；放置马弗炉中低温退火处理，自然冷却取出，获得预催化电极；以铂丝作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，和预催化电极组成三电极体系，在碱性溶液中氨氧化电势范围内，循环扫描20~100圈进行表面电化学重构，获取异原子掺杂的镍铜双金属高效氨催化电极。本发明专利技术可有效降低氨催化电极制备成本，同时具备良好的氨氧化性能与稳定性。性能与稳定性。性能与稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种异原子掺杂镍铜双金属高效氨催化电极的制备方法


[0001]本专利技术涉及电催化
，尤其是涉及一种异原子掺杂镍铜双金属高效氨催化电极的制备方法。

技术介绍

[0002] 近年来，氨（NH3）的电催化氧化研究得到了国内外研究学者的广泛关注。一方面，氨作为一种绝佳的富氢载体，其氢含量高达17.8 wt.%。氨价格低廉，室温即可液化，易于储存运输。此外，如Yuqi Guo. et al. Carbon
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free sustainable energy technology: Direct ammonia fuel cells. Journal of Power Sources, 476 (2020) 228454研究指出：相比液氢，单位体积下液氨的比能量密度高40%、氢含量高70%。值得注意的是，在碱性溶液中，在低过电位条件下，氨的电催化氧化反应的产物为氮气和氢气，且其能耗要比电解水制氢低95%。此外，氨亦可直接作为一种理想无碳燃料，用于直接氨燃料电池，高燃烧值、价廉易得的特性使其有着天然的优势。另一方面，氨是来自于农业和工业的主要污染物之一。氨的潜在负面影响包括水体富营养化、土壤的过度施肥、某些水生物种的灭绝以及对人体健康造成的伤害。
[0003]因此，电催化氨氧化技术不仅可以有效降低环境中的氨排放，而且可以“变废为宝”，或产生清洁的氢能源，亦或直接用于燃料电池供给能源。正是基于以上优势，电催化氨氧化领域近年来得到了广泛关注。总体而言，电催化氨氧化领域的进展取决于氨催化电极材料的发展。氨催化电极材料主要是以铂为代表的传统贵金属体系，如Kang, Y. et al. High performance PtxEu alloys as effective electrocatalysts for ammonia electro
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oxidation. International Journal of Hydrogen Energy, 42(30), (2017)18959
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18967的报道中PtEu/C具有很高的氨氧化活性，可有效将氨分解转化为氮气和氢气。然而，以铂为代表的传统贵金属催化剂成本高昂，且铂容易受N
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毒化而失活，难以推广普及。因此，如何制备高效的非贵金属催化剂是电催化氨氧化领域亟需解决的技术难题。近年来，镍、铁、铜等过渡金属单元或多元（氢）氧化物被许多学者广泛用于电催化剂的研究。其中相关研究表明，镍铜双金属催化剂对于氨的催化氧化有很好的效用，Ni、Cu之间存在良好的过渡金属配体效应。然而，氨催化电极表面重构层次浅显，NiOOH、CuO真实活性物种没有很好地形成与暴露，这迫切需要探究一种更好的方法对氨催化电极表面重构过程进行深度调控，以获取用于电催化氨氧化领域的高效氨催化电极。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是在于提供一种异原子掺杂镍铜双金属高效氨催化电极的制备方法，该制备方法能大幅降低用于电催化氨氧化的催化电极的成本，同时具有良好的氨催化氧化性能与稳定性。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：一种异原子掺杂镍铜双金属高效氨催化电极的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、将电极基底分别在稀盐酸、无水乙醇和去离子水中进行超声预处理，去除表面污染物，烘干；步骤2、将镍盐、铜盐以及异原子化合物的均匀混合水溶液和预处理后的电极基底，装入高压反应釜中；步骤3、将高压反应釜密封于干燥箱内恒温水热处理，待冷却后取出电极基底，水洗烘干；步骤4、再将步骤3所得的电极基底送入马弗炉中，低温退火处理，自然冷却取出，获得预催化电极；步骤5、饱和甘汞电极作为参比电极，以铂丝作为对电极，预催化电极为工作电极，组成三电极体系，在碱性溶液中氨氧化电势的范围内，循环扫描20~100圈，调控催化电极表面发生电化学重构，最终制得异原子掺杂的镍铜双金属高效氨催化电极。
[0006]步骤1中所述的电极基底为碳纸（CP）、碳纤维纸(CFP)、泡沫镍（NF）、泡沫铜（CF）、碳布、碳纤维布、钛板、硼掺杂金刚石（BDD）薄膜或钌铱电极板中的一种；三种溶液中超声预处理时间均为10~60 min；稀盐酸的浓度范围为1~5 mol/L。
[0007]步骤2中所述的镍盐包括硫酸镍、氯化镍、溴化镍、硝酸镍以及它们的水合物；铜盐包括硫酸铜、氯化铜、硝酸铜以及它们的水合物；所述异原子为S、P、Se、Te、Sb、N、B或C中的一种，所述异原子化合物包括硫脲、硫醇、九水硫化钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二甲、磷酸氢钾、磷酸氢钠、硒粉、硒化钠、锑酸钠、二水碲酸钠、硼氢化钾、硼氢化钠、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝。
[0008]步骤5所述的氨氧化电势区间为：0~0.7 V vs.SCE；碱性溶液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液，浓度范围为1~5 mol/L。
[0009]本专利技术的优点在于：相比于铂基催化电极而言，本专利技术通过水热
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低温退火
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电化学重构策略，以碳纸、碳纤维纸、碳布、碳纤维布、泡沫镍、泡沫铜、钛板、硼掺杂金刚石（BDD）薄膜或钌铱电极板中的一种作为电极基底制备异原子掺杂镍铜双金属氨催化电极，可大幅降低电极制备成本。更重要的是，碱性电化学条件下氨催化电极表面金属
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异原子的弱离子键断裂，异原子的离子的动态迁移引发剧烈的表面重构现象，形成了更多的活性中心并提供更有利的氮物种吸附位点，这极大地优化了氨催化电极的氨催化氧化性能。
[0010]采用本专利技术制备的氨催化电极在未使用传统贵金属条件下，即可获得较高的氨催化氧化性能与稳定性，这对以低成本获取高效的氨催化电极有着重要意义，且制备简便。
附图说明
[0011]图1为实施例1制备的Ni1Cu3‑
S/CP预催化电极的扫描电子显微（SEM）照片；图2为实施例1制备的Ni1Cu3‑
S
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T/CP催化电极的扫描电子显微（SEM）照片；图3是实施例1制备的Ni1Cu3‑
T/CP、Ni1Cu3‑
S
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T/CP催化电极的循环伏安法测试（CV）谱图；图谱中，（a）是以Ni1Cu3‑
S
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T/CP催化电极为工作电极；（b）是以Ni1Cu3‑
T/CP催化电极为工作电极。饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，铂丝为对电极，在0.2 mol/L NH4Cl和l mol/L NaOH组成的混合水溶液中，扫描速度为20 mV/s的条件下得到的电流密度
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电压曲线；图4是实施例1制备的Ni1Cu3‑
T/CP、Ni1Cu3‑
S
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T/CP催化电极的计时电流法（i
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t）谱
图。图谱中，（a）是以Ni1Cu3‑
S
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T/CP催化电极为工作电极；（b）是以Ni1Cu3‑
T/CP催化电极为工作电极。饱和甘汞电极（本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异原子掺杂镍铜双金属高效氨催化电极的制备方法，其特征在于,包括以下步骤：步骤1、将电极基底分别在稀盐酸、无水乙醇和去离子水中进行超声预处理，去除表面污染物，烘干；步骤2、将镍盐、铜盐以及异原子化合物的均匀混合水溶液和预处理后的电极基底，装入高压反应釜中；步骤3、将高压反应釜密封于干燥箱内恒温水热处理，待冷却后取出电极基底，水洗烘干；步骤4、再将步骤3所得的电极基底送入马弗炉中，低温退火处理，自然冷却取出，获得预催化电极；步骤5、饱和甘汞电极作为参比电极，以铂丝作为对电极，预催化电极为工作电极，组成三电极体系，在碱性溶液中氨氧化电势的范围内，循环扫描20~100圈，调控催化电极表面发生电化学重构，最终制得异原子掺杂的镍铜双金属高效氨催化电极。2.根据权利要求1所述的异原子掺杂镍铜双金属高效氨催化电极的制备方法，其特征在于：步骤1中所述的电极基底为碳纸、碳纤维纸、泡沫镍、泡沫铜、碳布、碳纤维布、钛板、硼掺杂金刚石薄膜或钌铱电极板中的一种；三种溶液中超声预处理时间均为10~60 min；稀盐酸的浓度范围为1~5 mol/L。3.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张慧敏，王海龙，童星，陈文弋，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：