一种电催化硝酸根还原催化剂Fe-CoS2/CC的制备方法技术

随着现代工业的发展，合成氨技术越来越成为工业发展的命门，生产非贵金属的催化剂用于电催化分解硝酸根（NO3‑

【技术实现步骤摘要】
一种电催化硝酸根还原催化剂Fe
‑
CoS2/CC的制备方法


[0001]本专利技术涉及无机纳米材料的制备及应用领域，具体涉及一种基于水热法制备Fe掺杂在CoS2纳米片上并负载在碳布上（Fe
‑
CoS2/CC）催化剂材料的方法，并实现在电催化硝酸根还原领域的应用。

技术介绍

[0002]能源是人类发展的基石、社会进步的重要支撑，当代社会的主要能源来自于煤、石油、天然气等化石燃料，但这些化石燃料不仅面临储量下降、不可再生等问题，而且他们的燃烧产物还会造成环境污染，危害人类健康，因此发展高效、可持续的能源是当今社会发展和人类进步亟待解决的问题。
[0003]氨气（NH3）是世界上生产规模最大的化学品之一，是化工生产的基础化学原料，对硝酸铵、尿素等氮肥以及各类含氮复合肥的生产尤为重要，同时，氨气也是一种新兴的能量载体，液态氨中氢含量为17.6％，而甲醇含量为12.5％，氨气很可能是未来氢能经济的有希望的候选者，因此，氨气在未来人口发展方面占领着不可或缺的地位，据统计，每年在工业上生产超过1.4亿吨的氨气，并且需求还在不断增长；在今天，对氨气的大量需求已经发展成为迫在眉睫的社会问题，这刺激了人们对人工氨气大规模生产技术的深入研究，但是，目前唯一能够工业化合成氨的方法是德国化学家Haber和Bosch在20世纪初开发的以气相N2和H2为原料的合成氨工艺，然而，Haber
‑
Bosch工艺法合成氨存在条件苛刻、对设备要求高、能耗高（每年消耗全球2%能源供给）、转化率低等问题，越来越不符合经济社会发展要求，因此，寻找能够实现高氨产率、高电流效率和低能耗，以及低成本、大规模地生产氨将是未来研究的重点。
[0004]近几年，电化学硝酸盐还原（NO3‑
RR）备受关注，与传统的Haber
‑
Bosch工艺相比，NO3‑
RR具有以下优点：温和的工作条件、N=O键（204kJ mol
‑1）相对N=N键（941 kJ mol
‑1）较低的解离能、设备简化、碳排量极少，但它需要高效的硝酸盐电催化剂，另外，硝酸盐在水中将会对人类及其环境产生不利影响，饮用含有硝酸盐的水会导致高铁血红蛋白症，引起人体疲劳、呼吸急促、脑缺氧甚至死亡，因此，非常有必要将环境中的有害的硝酸盐高效转化为有用的氨，从而缓解工业固氮合成氨面临的生产压力以及治理水体中硝酸盐污染。
[0005]近年来，过渡金属在电催化剂设计中得到了广泛的应用，在这些电催化剂中，过渡金属硫化物因其高导电性和易于制备工艺而成为很有前途的电催化剂，此外，金属元素掺杂可以通过优化氢吸附能和提高电子导电性来提高电催化剂的催化性能，鉴于此，本专利技术提供了一种催化剂材料Fe
‑
CoS2/CC应用为高效的电催化硝酸盐还原催化剂。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的之一是一种Fe
‑
CoS2/CC硝酸根还原催化剂的新型制备方法。
[0007]本专利技术的目的之二是将所合成的Fe
‑
CoS2/CC催化剂应用于电催化硝酸根还原体系。
[0008]本专利技术的目的之三是通过反复测试加工，设计一种全新的单室膜电极硝酸根还原电催化测试系统。
附图说明
[0009]图1是本专利技术提供的自行设计的单室膜电极硝酸根还原电催化测试系统的结构示意图。如图1所示，（1）保温层；（2）固定底座；（3）氨溶液储液池；（4）是所述的硫酸钠
‑
硝酸钠混合电解液；（5）出水口；（6）进水口；（7）进液口；（8）对电极；（9）参比电极；（10）工作电极（Fe
‑
CoS2/CC）。本专利技术的技术方案如下：
[0010]1.一种Fe
‑
CoS2/CC硝酸根还原催化剂的新型制备方法，其特征在于，制备步骤如下：（1）在特定反应溶液即尿素的水溶液中加入固定比例10:1 ~ 1:1的铁、钴试剂制得预反应液，利用水热合成法，将预反应液与一定大小的碳布一起加入到反应釜中并在一定温度下加热一定时间，自然冷却，洗涤干燥收集得到的铁钴前驱体，本过程中，尿素水溶液的使用，能够有效调控纳米材料的形貌，并有效的调节了溶液的pH，促使了纳米片的生成，使生成的铁钴前驱体呈现出非常薄的物理结构；（2）将铁钴前驱体置于管式炉中，固定氮气流速10 ~ 60 mL/min、煅烧温度200 o
C ~ 600 o
C，并加入升华硫作为硫化试剂进行硫化反应，其中硫化试剂与铁钴前驱体的质量比为1:10 ~ 1:100，硫化温度为200 o
C ~ 600 o
C，硫化时间为1 ~ 6 h，升温速率为0.5 o
C/min，得到Fe
‑
CoS2/CC，本过程中，升华硫作为硫化试剂，对于Fe
‑
CoS2/CC的生成有很大的促进作用，并且使生成的Fe
‑
CoS2/CC有很多暴露的催化活性位点，有利于后续的电催化过程。
[0011]2.一种Fe
‑
CoS2/CC硝酸根还原催化剂的制备方法，其特征在于，采用单室膜电极硝酸根还原电催化性能测试，步骤如下：以Fe
‑
CoS2/CC为工作电极，石墨电极为对电极，以Ag/AgCl电极为参比电极，以0.1 ~ 2 mol/L硫酸钠
‑
硝酸钠混合溶液为电解液，进行电催化硝酸根还原过程，此过程中利用硫酸钠
‑
硝酸钠混合溶液为电解液，提高了反应的选择性，即能够有效抑制析氢反应，促进硝酸根还原反应，将两者的混合溶液应用于硝酸根还原电催化测试中，结果表明效果优异。
[0012]3.使用新型单室膜电极硝酸根还原电催化测试系统，其中Fe
‑
CoS2/CC作为工作电极，石墨电极作为对电极，以Ag/AgCl电极作为参比电极，电解硫酸钠
‑
硝酸钠混合溶液，通过进水口灌入一定温度的水，以达到在催化过程中保持恒温状态，使催化过程有效进行，促进硝酸盐还原反应，防止催化剂过度消耗，同时能够有效提高反应的法拉第效率。
[0013]4.对于Fe
‑
CoS2/CC纳米片性能，电催化硝酸根还原反应氨产率达到17.2
ꢀ×ꢀ
10
‑
2 mmol h
‑
1 cm
‑2，法拉第效率高达88.92 %，具有更优良的氨产率和法拉第效率。具体实施方案：
[0014]为了进一步了解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。
[0015]实施例1第一步：取烧杯加入60 mL去离子水，加入尿素（0.6006 g，10 mmol）搅拌30 min形成澄清透明溶液后，继续搅拌下依次加入六水合硝酸钴（0.5821 g，2 mmol）、九水合硝酸铁
（0.0808 g，0.2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Fe
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CoS2/CC硝酸根还原催化剂的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：（1）在特定反应溶液中加入固定比例的钴、铁试剂制得预反应液，利用水热合成法，将预反应液与一定大小的碳布一起加入到反应釜中并在一定温度下加热一定时间，自然冷却，洗涤干燥收集得到的铁钴前驱体；（2）将铁钴前驱体置于管式炉中，固定氮气流速、煅烧温度并加入一定量的硫粉作为硫化试剂进行硫化反应，得到该催化剂材料铁硫化钴杂化物Fe
‑
CoS2/CC。2.根据权利要求1所述的纳米片状Fe
‑
CoS2/CC硝酸根还原催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，特定反应溶液为尿素的水溶液；钴源试剂为六水合硝酸钴、氯化钴、乙酰丙酮钴、硫酸钴、四水合乙酸钴中的一种或几种，钴源溶液的浓度为0.001 ~ 0.02mol/L；铁源为九水合硝酸铁、六水合三氯化铁、七水合硫酸亚铁、硫酸铁中的一种或几种，铁源溶液的浓度为0.0002 ~ 0.002mol/L；钴源与铁源的摩尔比为10:1 ~ 1:1；铁钴预反应液反应温度为100 oC ~ 180 o
C，反应时间为6 ~ 14 h；所述步骤（2）中，氮气流速为10 ~ 50 mL...

【专利技术属性】
技术研发人员：逯晓亮，鞠熀先，周金芝，徐晓龙，任祥，魏琴，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：