一种基于凹凸棒土的硝酸根还原电催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于凹凸棒土的硝酸根还原电催化剂及其制备方法，该制备方法包括将天然凹凸棒材料进行活化和离子交换处理后，制得凹凸棒催化材料，再将该凹凸棒催化材料与粘结剂和分散剂混合均匀后，分散得到催化剂浆料，即为硝酸根还原电催化剂。该催化剂浆料仅需要负载于导电载体上就可以作为硝酸根还原的工作电极。本发明专利技术首次开发了将凹凸棒土用于在硝酸根还原电化学领域的应用，并且催化剂制备方法经济、简单、易实现。易实现。易实现。

【技术实现步骤摘要】
一种基于凹凸棒土的硝酸根还原电催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于电催化剂
，具体涉及到一种基于凹凸棒土的硝酸根还原电催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着科技工业的发展，人们的生活方式日新月异。然而这也引起了包括水污染在内的环境污染日益严峻。尤其，由于工业生产通常会使用大量的硝酸盐，水体污染中的硝酸盐污染严重地破坏了生态环境。水体中硝酸盐超标会导致水中氮含量过高，主要危害包括：造成水体富营养化，消耗水体中的溶解氧，在动、植物体内累积从而影响人类健康。而同样含氮的氨不仅是重要的化工原料，也是理想的清洁能源载体。因此开发绿色、低成本的电催化剂促进硝酸根还原成氨具有重要意义。
[0003]天然凹凸棒材料是以凹凸棒石(又名坡缕石)为主要成分的一种多孔型链层状含水富美铝硅酸盐矿物。其国内储量高，并占全球总储量的50％，与世界各国相比具有明显的资源优势，且价格低廉。然而，在工业领域中，基于凹凸棒土的产品(例如粘结剂，水处理剂等)技术含量普遍较低，该材料也未得到充分的合理的利用，造成一种资源浪费。因此，以该天然材料为基础，开发用于硝酸根还原产氨的低成本电催化剂，不仅能够提升凹凸棒材料的总体应用水平，也在新能源电催化领域具有重要的科学意义和实用价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于凹凸棒土的硝酸根还原电催化剂及其制备方法，可以通过对天然凹凸棒土进行改性加工，作为一种低成本的电催化剂用硝酸根还原产氨反应。
[0005]为达上述目的，本专利技术提供了一种基于凹凸棒土的硝酸根还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0006](1)将凹凸棒土依次进行活化、洗涤、干燥后，浸泡于盐溶液中进行离子交换反应；
[0007](2)将步骤(1)反应结束后的产物先洗涤后干燥处理或者先洗涤后热处理，制得凹凸棒土催化剂；
[0008](3)将凹凸棒土催化剂与粘结剂、分散剂混合并分散均匀后，制得催化剂浆料，即硝酸根还原电催化剂。
[0009]进一步地，凹凸棒土为纯样或凹凸棒土含量高于80％的凹凸棒材料。
[0010]进一步地，活化的过程为将凹凸棒土置于浓度为0.1～10mol/L的酸性溶液中浸泡1～50h，酸性溶液为硫酸、硝酸和盐酸中的至少一种；凹凸棒土与所述酸性溶液的体积比为1:2～10。活化过程可以除杂以及对凹凸棒土表面进行活化。
[0011]进一步地，步骤(1)和步骤(2)的洗涤过程为滤膜透析或者过滤，洗涤的终点为溶液pH值呈中性。洗涤可以采用去离子水或者超纯水。
[0012]进一步地，步骤(1)和步骤(2)的干燥过程为真空干燥、喷雾干燥、冷冻干燥或加热
干燥，加热干燥的温度为30～105℃。
[0013]进一步地，热处理过程为：在热处理气氛和室温条件下，以1～10℃/min速率从室温升温至100～1000℃，恒温处理0.5～10h，降低至室温即可。
[0014]进一步地，热处理气氛为空气、氧气、氮气、氩气或氢气，降低至室温的方法为以1～10℃/min降低或空冷的方式降低。
[0015]进一步地，盐溶液为CuSO4水溶液，盐溶液浓度为0.05～10mol/L，凹凸棒土与盐溶液的体积比为1:2～10。
[0016]进一步地，盐溶液反应可以为常温状态或加热搅拌状态，其中加热搅拌可以是以水浴、油浴、超声等方式控制温度于50～90℃之间，盐溶液中的反应时间为1～6h。
[0017]进一步地，凹凸棒土催化物与粘结剂、分散剂的质量比为1:1～10:10～1000，粘结剂为全氟磺酸离子树脂溶液和/或聚四氟乙烯溶液，分散剂为去离子水、醇类或烷烃类化合物，粘结剂的浓度为1wt.％～20wt.％。
[0018]进一步地，凹凸棒土催化物与粘结剂、分散剂之间分散的方法为超声分散、机械搅拌分散或球磨机分散，分散时间为0.1～30h。
[0019]本专利技术还公开了采用上述制备方法制备得到的基于凹凸棒土的硝酸根还原电催化剂。
[0020]上述基于凹凸棒土的硝酸根还原电催化剂在浆料状态时，可以直接负载于导电基体表面，制作成工作电极，用于加速电极上发生的硝酸根还原反应。
[0021]本专利技术中的导电基体为碳纸、碳布、铁网、钢铁网、镍网、铜网、泡沫镍等，负载的方法为使用静电/超声喷涂机将浆料均匀喷至导电基底上，也可以为浸渍法或将浆料滴至导电载体表面。
[0022]上述基于凹凸棒土的硝酸根还原电催化剂的负载量为0.5
‑
3mg/cm2。
[0023]综上所述，本专利技术具有以下优点：
[0024]本专利技术通过简单的离子置换反应将活性元素Cu载在凹凸棒土上，首次开发了凹凸棒土在电化学硝酸根还原领域的应用，由于天然凹凸棒土材料的储量大，因此制备的催化剂的成本低，制备方法简单、经济、易实现。
附图说明
[0025]图1为对比例1中的凹凸棒的SEM照片；
[0026]图2为实施例1中载铜凹凸棒电催化剂的SEM照片和能谱图；
[0027]图3为对比例1与实施例1
‑
4中电催化剂的线性伏安扫描曲线；
[0028]图4为对比例1与实施例1
‑
4中电催化剂将硝酸根还原成氨的产率图。
具体实施方式
[0029]以下结合实施例对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0030]实施例1
[0031]本实施例提供了一种基于凹凸棒土的硝酸根还原电催化剂，其经过以下步骤制
得：
[0032](1)将30g凹凸棒土材料浸泡于400mL的1mol/L的HCl溶液中24h，去除杂质以及表面活化。利用去离子水，通过过滤的方式，将材料清洗至清洗液体pH值为中性为止。再一次过滤后，将清洗完成的凹凸棒土材料放置在蒸发皿中，通过真空干燥的方式获得干燥的凹凸棒土材料。
[0033](2)按固液比1g：5mL，将凹凸棒浸泡至2mol/L的CuSO4溶液中不断搅拌，并在水浴中维持80℃，进行离子交换，反应时长为1h。将所得样品离心，清洗并干燥，研磨成粉末。
[0034](3)按照凹凸棒土催化剂、20wt.％全氟磺酸离子树脂溶液、分散溶剂(乙醇)的质量比为1:1:500的比例进行催化剂浆料的配置，并通过超声分散30min的方式进行分散处理。并通过移液器将浆料滴至1
×
2cm2碳纸表面，载量为2mg/cm2，制得负载催化剂的工作电极。
[0035]实施例1所制备的凹凸棒土催化剂的SEM照片如图2所示。
[0036]将所得的工作电极安装至电解池测试装置，并进行电化学性能测试。其线性伏安扫描测试结果如图3所示：当电势达到
‑
1.0V时，电流达到0.017A。
[0037]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于凹凸棒土的硝酸根还原电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将凹凸棒土依次进行活化、洗涤、干燥后，浸泡于盐溶液中进行离子交换反应；(2)将步骤(1)反应结束后的产物先洗涤后干燥处理或者先洗涤后热处理，制得凹凸棒土催化剂；(3)将凹凸棒土催化剂与粘结剂、分散剂混合并分散均匀后，制得催化剂浆料，即硝酸根还原电催化剂。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述凹凸棒土为纯样或凹凸棒土含量高于80％的凹凸棒材料。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活化的过程为将凹凸棒土置于浓度为0.1～10mol/L的酸性溶液中浸泡1～50h，所述酸性溶液为硫酸、硝酸和盐酸中的至少一种；所述凹凸棒土与所述酸性溶液的体积比为1:2～10。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)的洗涤过程为滤膜透析或者过滤，洗涤的终点为溶液pH值呈中性。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)的干燥过程为真空干燥、喷雾干燥、冷冻干燥或加热干燥，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，李静，王岑，胡侨丹，章俊良，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：