铀负载四氧化三钴纳米片的制备及在电催化碱性析氧反应中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种铀负载四氧化三钴纳米片的制备及在电催化碱性析氧反应中的应用，包括：制备ZIF

【技术实现步骤摘要】
铀负载四氧化三钴纳米片的制备及在电催化碱性析氧反应中的应用


[0001]本专利技术涉及催化剂
，具体涉及一种铀负载四氧化三钴纳米片的制备及在电催化碱性析氧反应中的应用。

技术介绍

[0002]核工业的发展产生了大量的放射性废水。铀作为一种重要的核燃料，普遍存在于放射性废水中，其半衰期长、毒性强，对环境造成严重污染。目前，放射性废水中的铀一般采用提取、固化、填埋等一系列工艺处理，导致铀资源大量废弃。另一方面，由于6d
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5f杂化现象，铀具有从+3到+6的多种化合价，这为氧化还原反应提供了可变的配位环境和潜在的催化性能。与过渡金属中的d电子类似，铀中的活性5f电子能够形成亲电配合物并活化惰性分子。因此，直接制备含铀化合物作为高活性催化剂是一种将放射性废物变废为宝的有效策略。
[0003]在电催化反应中，电化学水分解由两个半反应组成：阴极上的析氢反应(HER)和阳极上的析氧反应(OER)。水电解是一种生产高纯度氢气的高效清洁技术。尽管提供了一种制造高纯度氢气的有效方法，但电化学水分解在大规模氢气生产中的实际应用受到限制，因为它是一种具有大过电位的强烈上坡反应(商业电解槽通常在1.8V～2.0V的电池电压下运行，远高于1.23V的理论最小值)。理想的HER或OER催化剂必须满足两个基本要求。首先，两个半反应的催化剂必须具有高活性，最小的过电势可以产生大的电流密度。其次，它必须表现出长期的稳定性。
[0004]在电解水制氧中，碱性电解水由于较高的析氧过电位而更受关注，而碱性电解水析氧的催化剂(如氧化物、硫化物)通常面临H*的产生能垒高，需要活化裂解水。现有技术中发现铀酰“类单原子”极易与
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OH成键，进而活化裂解水能垒极低，是碱性电解水析氧的理想高效催化剂。尽管目前铀基催化剂在催化氧化小分子作用方面已经取得了很大的进展，但铀基催化剂在电解水析氧方面少有研究。在电催化析氧反应中，钴(Co)因其对水分解的催化能力而成为一种有趣的非贵金属，由于此类配合物的合成问题，这仍然是一项具有挑战性的任务。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
[0006]为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种铀负载四氧化三钴纳米片的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一、将醋酸钴溶解在含有十六烷基三甲基溴化铵的水中，然后2
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甲基咪唑水溶液加入，搅拌，得到混合溶液；将混合溶液加入高压反应釜中，110～130℃反应8～12h，冷却至室温后，离心，洗涤，得到，ZIF
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67纳米板，将其分散在乙醇中，得到ZIF
‑
67前驱体分散
液；
[0008]步骤二、将硝酸铀酰溶液加入ZIF
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67前驱体分散液中，搅拌，取搅拌后的分散液用乙醇稀释后加水，并加热搅拌处理，离心收集产物，洗涤，真空干燥；
[0009]步骤三、将真空干燥后的材料和炭黑加入研钵中研磨，在得到的研磨料中加入乙醇和Nafion溶液，超声，得到均匀的油墨；将油墨均匀涂覆在碳纸上，真空干燥；
[0010]步骤四、在电化学工作站中，以硝酸铀酰溶液为电解液，步骤三真空干燥后的材料作为工作电极，石墨棒为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，通过电化学脉冲伏安法制备铀负载四氧化三钴纳米片。
[0011]优选的是，所述步骤一中，醋酸钴与十六烷基三甲基溴化铵的质量比为3～5:1；所述醋酸钴与水的质量体积比为1g:150～180mL；所述醋酸钴与2
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甲基咪唑水溶液中的2
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甲基咪唑的质量比为1:8～12；搅拌的时间为0.5～1.5h。
[0012]优选的是，所述步骤二中，硝酸铀酰溶液的浓度为8mg/L；所述硝酸铀酰溶液中硝酸铀酰的用量为ZIF
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67前驱体分散液中ZIF
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67前驱体质量的0.5～6％；搅拌的时间为24h；加热搅拌的温度为90℃，时间为30min。
[0013]优选的是，所述步骤二中，加入搅拌处理的过程在微波超声波一体化反应器中进行，同时开启微波和超声波，在处理温度为60～70℃下进行协同处理15～25min；协同处理的微波功率为300～500W，超声功率为300～500W，超声频率为45KHz。
[0014]优选的是，所述步骤三中，真空干燥后的材料与炭黑的质量比为1:3；所述真空干燥后的材料与Nafion溶液的质量体积比为3mg:40μL；所述真空干燥后的材料与乙醇的质量体积比为3mg:2mL；Nafion溶液的浓度为5wt％；超声的时间为至少半小时。
[0015]优选的是，所述步骤四中，硝酸铀酰溶液的浓度为8mg/L；电化学脉冲伏安法的电压为
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4V；脉冲时间为5s，脉冲周期10～200；硝酸铀酰溶液中还存在Na
+
、K
+
、Ca
2+
、Al
3+
、Fe
3+
中的一种或多种，其浓度均为80mg/L。
[0016]本专利技术还提供一种如上所述的制备方法制备的铀负载四氧化三钴纳米片在电催化碱性析氧反应中的应用，包括：将铀负载四氧化三钴纳米片加入Nafion溶液和乙醇中，超声分散，得到催化剂油墨，将催化剂油墨滴加到碳纸上，真空干燥；
[0017]采用三电极体系，以真空干燥的材料作为工作电极，以铂丝电极为对电极，以汞/氧化汞电极为参比电极，采用线性扫描伏安法在O2饱和1M KOH中进行电催化碱性析氧反应。
[0018]优选的是，铀负载四氧化三钴纳米片与Nafion溶液的质量体积比为1mg:10μL；铀负载四氧化三钴纳米片与乙醇的质量体积比为3mg:2mL；Nafion溶液的浓度为5wt％；超声的时间为4h。
[0019]本专利技术至少包括以下有益效果：本专利技术成功构建了一种高活性、高稳定性铀酰“类单原子”催化剂U/Co3O4。铀酰“类单原子”主要以U(VI)的存在形式吸附在Co3O4上。铀酰“类单原子”的引入显着提高Co3O4纳米片的碱性OER活性。电子结构研究表明，铀酰“类单原子”对
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OH有非常高的结合亲和力，并且在反应过程中能够增加羟基物种的生成，从而增强电催化析氧反应。
[0020]本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
[0021]图1(A)3％U/Co3O4纳米片的透射图(TEM)；(B)HRTEM图像；(C
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F)HAADF
‑
STEM和STEM
‑
EDX元素映射图像；
[0022]图2为Co3O4和U/Co3O4纳米片的XRD图像；
[0023]图3为Co3O4和U/Co3O4的XPS全谱；
[0024]图4为Co3O4和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铀负载四氧化三钴纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将醋酸钴溶解在含有十六烷基三甲基溴化铵的水中，然后2
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甲基咪唑水溶液加入，搅拌，得到混合溶液；将混合溶液加入高压反应釜中，110～130℃反应8～12h，冷却至室温后，离心，洗涤，得到，ZIF
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67纳米板，将其分散在乙醇中，得到ZIF
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67前驱体分散液；步骤二、将硝酸铀酰溶液加入ZIF
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67前驱体分散液中，搅拌，取搅拌后的分散液用乙醇稀释后加水，并加热搅拌处理，离心收集产物，洗涤，真空干燥；步骤三、将真空干燥后的材料和炭黑加入研钵中研磨，在得到的研磨料中加入乙醇和Nafion溶液，超声，得到均匀的油墨；将油墨均匀涂覆在碳纸上，真空干燥；步骤四、在电化学工作站中，以硝酸铀酰溶液为电解液，步骤三真空干燥后的材料作为工作电极，石墨棒为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，通过电化学脉冲伏安法制备铀负载四氧化三钴纳米片。2.如权利要求1所述的铀负载四氧化三钴纳米片的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，醋酸钴与十六烷基三甲基溴化铵的质量比为3～5:1；所述醋酸钴与水的质量体积比为1g:150～180mL；所述醋酸钴与2
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甲基咪唑水溶液中的2
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甲基咪唑的质量比为1:8～12；搅拌的时间为0.5～1.5h。3.如权利要求1所述的铀负载四氧化三钴纳米片的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，硝酸铀酰溶液的浓度为8mg/L；所述硝酸铀酰溶液中硝酸铀酰的用量为ZIF
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67前驱体分散液中ZIF
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67前驱体质量的0.5～6％；搅拌的时间为24h；加热搅拌的温度为90℃，时间为30min。4.如权利要求1所述的铀负载四氧化三钴纳米片的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，加入搅拌处...

【专利技术属性】
技术研发人员：竹文坤，何嵘，陈涛，刘敏，刘欢欢，孙囡，李瑞，杨帆，雷佳，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：