一种纳米片状镍基电催化剂、制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及电化学催化剂技术领域，公开一种纳米片状镍基电催化剂，包括纳米片状氢氧化镍基底和负载在氢氧化镍基底上的纳米粒状的金属钯和铁，钯和铁的摩尔比为1～10:1～5，制备步骤为取Ni(OH)2粉末溶解在去离子水中，加入四氯钯酸钾和三氯化铁溶解后得到混合液；分批次向混合液中加入硼氢化钠溶液后搅拌反应；离心反应后的混合液，收集固体并清洗、干燥。本发明专利技术的镍基片状电催化剂应用在硝酸盐和二氧化碳电催化反应中合成尿素，电催化反应条件温和，能耗低，环保，且可以提高尿素的收率和法拉第效率，同时本申请提供的催化剂制备方法具有工艺简单、耗能少、条件温和及产品形貌好等特点，适合大规模生产应用。适合大规模生产应用。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米片状镍基电催化剂、制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电化学催化剂
，具体涉及一种纳米片状镍基电催化剂、制备方法和应用。

技术介绍

[0002]尿素主要通过氨和二氧化碳化学合成，其中氨的工业来源依赖哈伯
‑
博世方法，其生产的氨80%用于尿素的合成。但该方法涉及能量密集型的化学反应过程，反应温度达到400～500℃，反应压力高达100～200bar，能源消耗占全球能源消耗的2%以上。随着减少对化石燃料的依赖成为能源发展的一种趋势，开发新的低能耗、环保的氨生成途径以满足尿素合成需要已经迫在眉睫，其中通过电催化氮还原反应(N2RR)将大气氮和水转化成为氨是当下热门研究方向，而相应的电催化剂如金属基(Bi、Au等)或无金属材料(B、P等)被陆续开发。尽管氨合成路径得以改善，氨和二氧化碳反应转化成尿素的过程仍需满足较为苛刻的反应条件。
[0003]硝酸盐是一种较为非常理想的含固氮反应物，鉴于N=O键(204kJmol
−
1)与N≡N键(941kJmol
−
1)形成鲜明对比，利用NO3−
还原反应(NO3−
RR)将NO3−
或亚硝酸盐与二氧化碳耦合转化成尿素的想法受到化学家的关注。但是实践中，CO2/ NO3−
的平行电还原与尿素的合成形成强烈竞争，导致合成的尿素中副产品多，合成尿素反应的选择性低，尿素法拉第效率低，同时尿素的收率低，且产品纯化分离困难。所以实现硝酸盐和二氧化碳电化学催化成尿素的关键在于为C
>‑
N偶联寻找活性位点，抑制不良的氢演化反应(HER)的发生，获得对CO2RR（电化学还原CO2）的高CO选择性和NO3−
RR（电化学还原硝酸盐）的高氨选择性，以增加尿素的选择性或者说法拉第效率，而发展合适的电催化剂是解决上述问题的关键。

技术实现思路

[0004]针对硝酸盐和二氧化碳电催化转化成尿素的反应中尿素法拉第效率低，尿素收率低的问题，本专利技术的目的在于提供一种适用于硝酸盐和二氧化碳电催化转化成尿素的纳米片状镍基电催化剂，可以提升制备的尿素的法拉第效率和收率。
[0005]本专利技术的另一目的在于提供一种纳米片状镍基电催化剂的制备方法，可以获得良好性能的纳米片状镍基电催化剂。
[0006]本专利技术的另一目的为提供该纳米片状镍基电催化剂在电催化硝酸盐和二氧化碳合成尿素上的应用。
[0007]本专利技术提供如下的技术方案：一种纳米片状镍基电催化剂，包括纳米片状氢氧化镍基底和负载在氢氧化镍基底上的纳米粒状的金属钯和铁，钯和铁的摩尔比为1～10:1～5。
[0008]本专利技术的纳米片状镍基催化剂中，氢氧化镍具有较高的理论比电容和优良的氧化还原性能，在Ni(OH)2纳米片上负载Fe和Pd，其中过渡金属Fe位点在还原NO3‑
方面具有良好的活性和选择性，Pd能有效的吸附活性H以及吸收CO2，这样通过纳米片状氢氧化镍和Fe、Pd
的配合，通过调整表面电子结构来优化反应种类的吸附能，并进一步平衡相互竞争的电还原反应，以实现高法拉第效率下形成尿素，使得电催化硝酸盐和二氧化碳转化成尿素的过程具备更高的尿素法拉第效率和收率。
[0009]作为本专利技术的优选，所述纳米粒状的金属钯和铁为金属钯和铁的纳米合金颗粒。将两者以合金颗粒形成负载到氢氧化镍表面，具有更高的催化效率。
[0010]一种镍基片状电催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）取Ni(OH)2粉末溶解在水中，加入四氯钯酸钾和三氯化铁溶解后得到混合液；（2）分批次向混合液中加入硼氢化钠溶液后搅拌反应；（3）离心反应后的混合液，收集固体并清洗、干燥得到纳米片状镍基电催化剂PdFe
‑
Ni(OH)2。
[0011]本专利技术的催化剂的制备方法，通过硼氢化钠还原反应将钯和铁在氢氧化镍表面还原成纳米金属钯和铁，而同时沉积在氢氧化镍表面形成钯铁合金颗粒，得到PdFe
‑
Ni(OH)2，具有工艺简单、耗能少、条件温和及产品形貌好等特点，适合大规模生产应用。
[0012]作为本专利技术方法的优选，步骤（1）中Ni(OH)2粉末经以下过程制备得到：将六水合硝酸镍溶解在三乙二醇溶剂中分散均匀，加入尿素搅拌后移入水热釜里加热反应，然后离心分离沉淀物并清洗、干燥得到Ni(OH)2粉末。通过六水合硝酸内水溶合成法制备氢氧化镍，使得氢氧化镍具备纳米花层状结构，催化活性高，且有利于钯和铁的合金沉积，使得K2PdCl4和FeCl3形成含有特定PdFe
‑
Ni(OH)2的无机化合物。
[0013]作为本专利技术方法的优选，六水合硝酸镍与尿素的质量比为5～10:1～3；六水合硝酸镍和溶剂中三乙二醇的质量体积比为1～2g:30～40 mL；三乙二醇溶剂为三乙二醇和水的混合液，两者的体积比例为三乙二醇30～40mL，水0～10mL。
[0014]作为本专利技术方法的优选，水热釜的加热温度为110～140℃，加热时间为20～30h。
[0015]作为本专利技术方法的优选，步骤（1）中Ni(OH)2粉末、四氯钯酸钾、三氯化铁的用量比例为氢氧化镍20～84mg、四氯钯酸钾1～10
µ
mol、三氯化铁1～5
µ
mol。
[0016]作为本专利技术方法的优选，步骤（2）中硼氢化钠溶液的浓度为8～12mmol/L；硼氢化钠溶液与三氯化铁用量比例为硼氢化钠溶液5～10mL、三氯化铁1～5
µ
mol。
[0017]作为本专利技术方法的优选，步骤（3）中干燥温度≤60℃。
[0018]上述镍基片状电催化剂或上述制备方法制备的镍基片状电催化剂在电催化硝酸盐或亚硝酸盐与二氧化碳合成尿素上的应用。将本专利技术的镍基片状电催化剂PdFe
‑
Ni(OH)2应用在硝酸盐和二氧化碳电催化反应中合成尿素，可以获得更高的尿素收率和法拉第效率。
[0019]本专利技术的有益效果如下：本专利技术的镍基片状电催化剂应用在硝酸盐和二氧化碳电催化反应中合成尿素，电催化反应条件温和，能耗低，环保，且可以提高尿素的收率和法拉第效率，同时本申请提供的催化剂制备方法具有工艺简单、耗能少、条件温和及产品形貌好等特点，适合大规模生产应用。
附图说明
[0020]图1是实施例1～4制备的PdFe
‑
Ni(OH)2电催化剂的TEM表征图。
[0021]图2是实施例1制备的PdFe
‑
Ni(OH)2电催化剂的XRD表征图。
[0022]图3是实施例1制备的PdFe
‑
Ni(OH)2电催化剂在
‑
0.5V电压下的循环稳定性曲线。
[0023]图4是实施例2制备的PdFe
‑
Ni(OH)2电催化剂合成尿素法拉第效率和收率图。
[0024]图5是各实施例和对比例制备的电催化剂合成尿素法拉第效率和收率图。
具体实施方式
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米片状镍基电催化剂，其特征在于，包括纳米片状氢氧化镍基底和负载在氢氧化镍基底上的纳米粒状的金属钯和铁，钯和铁的摩尔比为1～10:1～5。2.根据权利要求1所示的纳米片状镍基电催化剂，其特征在于，所述纳米粒状的金属钯和铁为金属钯和铁的纳米合金颗粒。3.一种镍基片状电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）取Ni(OH)2粉末溶解在水中，加入四氯钯酸钾和三氯化铁溶解后得到混合液；（2）分批次向混合液中加入硼氢化钠溶液后搅拌反应；（3）离心反应后的混合液，收集固体并清洗、干燥得到纳米片状镍基电催化剂PdFe
‑
Ni(OH)2。4.根据权利要求3所述的镍基片状电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）中Ni(OH)2粉末经以下过程制备得到：将六水合硝酸镍溶解在三乙二醇溶剂中分散均匀，加入尿素搅拌后移入水热釜里加热反应，然后离心分离沉淀物并清洗、干燥得到Ni(OH)2粉末。5.根据权利要求3所述的镍基片状电催化剂的制备方法，其特征在于，六水合硝酸镍与尿素的质量比为5～10:1～3；六水合硝酸镍和溶剂中三乙二醇的质量体积比为1～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶伟，徐梦秋，
申请(专利权)人：杭州师范大学，
类型：发明
国别省市：