本发明专利技术公开了一种富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂及其在催化硝酸盐制备尿素中的应用，本发明专利技术以InCl3·
【技术实现步骤摘要】
一种富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂及其在催化硝酸盐制备尿素中的应用
[0001]本专利技术涉及一种富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂及其在催化硝酸盐制备尿素中的应用，属于非均相催化领域。
技术介绍
[0002]全球CO2浓度升高导致了一系列严重的环境和社会问题，如全球气候变化、海平面上升等。其中化工制造业是导致CO2排放升高的重要因素，减少CO2排放是当今人类社会面临的主要挑战，将CO2升级为对我们社会有附加值的化学品是克服与CO2相关问题的因素之一的有效方法。由于CO2分子的高度惰性，在传统方法中由CO2转化为相关化学品或燃料的化学反应通常在苛刻的条件下才能进行(如：高温高位)。因此，电化学方法作为有效稳定CO2的新兴方法之一有望取代利用化石燃料的传统高能耗和高排放方法生产化学品，电化学催化获得经济可行产品具有巨大前景，如尿素、胺和酰胺。
[0003]尿素是一种具有高附加值的产品，是农业中最重要的氮肥之一，也是制造药物、塑料和化学产品的重要原料。到目前为止，尿素仍然是通过一系列能源密集型加工工艺生产的，包括Haber
–
Bosch工艺、Bosch
–
Meiser工艺和甲烷蒸汽重整。其中，Haber
–
Bosch工艺消耗了约2％的全球能源，产生了约1％的全球CO2排放量，对全球环境变化和社会产生巨大影响。因此，在惰性N2和CO2环境条件下通过电催化的直接偶联为尿素生产提供了一种绿色、可持续和经济的方法。然而，制备尿素仍然受到N2解离困难的限制，而含氮化合物尤其是硝酸盐(NO3‑
)由于它的N＝O键离解能相对较低(204kJ
·
mol
‑1)被认为是制备尿素中N2的良好替代品，但是该反应的主要挑战是在电催化NO3‑
和CO2还原中复杂的16电子转移和18质子耦合过程中容易发生关键中间体的质子化，而不是发生C
‑
N的耦合，从而导致产生大量副产物，如NH3、HCOOH、CO等。因此，开发新的电化学催化系统以有效促进NO3‑
还原反应(NO3RR)和CO2还原反应(CO2RR)中间体的耦合，从而产生高选择性的尿素是必要的。尿素的制备通常是以控制催化剂的活性位点来提高催化剂在尿素合成中的应用。上述通过调整催化剂活性位点在尿素的制备过程中表现出了良好的催化性能，然而这种调整仍然存在需要克服高能量的障碍和反应速率缓慢的问题。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于：针对传统制备In(OH)3催化剂的方法催化剂晶面不可控、稳定性差等弊端。本专利技术采用一步合成法，在高温下(200℃)制备了富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]取NaOH溶液加入到含有InCl3·
4H2O的乙二醇溶液中；在100～300℃条件下通过溶剂热法处理10～40h后离心获得白色固体；将获得的白色固体用无水乙醇洗涤；再将白色固
体和炭黑溶解在无水乙醇和Nafion粘合剂的混合溶液中超声处理0.5～3h构成均匀油墨溶液；最后将油墨滴在碳纸上干燥，即可得到富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂。
[0008]所述InCl3·
4H2O、NaOH、乙二醇三者之间的摩尔比为1:9:9～9:9:1。
[0009]所述无水乙醇作为白色固体的洗涤剂，洗涤方式为1～5次，每次10～100mL。
[0010]所述炭黑包括Super P、Super C45、Ketjenblack ECP、Ketjenblack ECP
‑
600JD、TIMICAL KS
‑
6等。
[0011]所述白色固体和炭黑的质量比为1:9～9:1。
[0012]所述无水乙醇和Nafion粘合剂混合溶液的体积比为1:99～99:1。
[0013]所述碳纸包括TGP
‑
H
‑
060、TGP
‑
H
‑
090、HCP030N等。
[0014]所述的一种富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂及其在催化硝酸盐制备尿素中的应用。
[0015]一种催化硝酸盐与CO2制备尿素的方法：采用电化学催化法将硝酸盐转化为尿素。
[0016]所述富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂，以硝酸盐溶液为底物，按照0.01～0.04g富含晶面和氧空位In(OH)3/10g硝酸钾加入催化剂，在pH＝3.88，电位为
‑
0.6V下，通入饱和CO2气体。
[0017]所述硝酸盐包括硝酸钾、硝酸钠、硝酸钙。
[0018]所述催化剂反应结束后，将其与产物分离，经过去离子水清洗，干燥后可再次用于催化硝酸盐与CO2制备尿素。
[0019]本专利技术的有益效果
[0020]本专利技术以InCl3·
4H2O的醇溶液与NaOH溶液为体系在高温(200℃)下得到白色固体，碳纸为载体，通过自然干燥得到富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂。成功克服了传统制备In(OH)3催化剂出现的晶面不可控、稳定性差等弊端
[0021]反应工艺简单，以制备的富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂，采用电催化将硝酸盐转化为尿素。
[0022]制备的富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂具有良好的催化效果，且反应电位为
‑
0.6V，向0.1MKNO3溶液体系中通入饱和CO2气体，负载2mg催化剂的碳纸作为工作电极，Pt电极作为对电极，Ag/AgCl电极作为和参比电极，尿素的产率为910.4μg h
‑1mg
‑
1cat.
，法拉第效率为60.6％。
[0023]制备的富含晶面和氧空位In(OH)3是非均相型，反应结束后通过去离子水洗涤、干燥可将催化剂回收并用于下一次催化反应中，并且在重复使用5次后，尿素的产率仍然可达910.4μg h
‑1mg
‑
1cat.
以上，体现了绿色可持续发展的战略。
[0024]本专利技术解决了传统制备In(OH)3催化剂出现的晶面不可控、稳定性差等问题，提高了生产体系的安全性和经济性。以富含晶面和氧空位In(OH)3为催化剂，在常温常位下，就可以实现硝酸盐高效转化为尿素。使用过的富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂经过去离子水洗涤和干燥处理后就可以直接重复使用，实现了富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂的循环利用。
附图说明：
[0025]图1为一种富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂的SEM图；
[0026]图2为实施例1一种富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂在不同电位下的UV
‑
vis图；
[0027]图3为实施例2一种富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：取NaOH溶液加入到含有InCl3·
4H2O的乙二醇溶液中；在100～300℃条件下通过溶剂热法处理10～40h后离心获得白色固体；将获得的白色固体用无水乙醇洗涤；再将白色固体和炭黑溶解在无水乙醇和Nafion粘合剂的混合溶液中超声处理0.5～3h构成均匀油墨溶液；最后将油墨滴在碳纸上干燥，即可得到富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂。2.根据权利要求1所述的一种富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂的制备方法，其特征在于：所述InCl3·
4H2O、NaOH、乙二醇三者之间的摩尔比为1:9:9～9:9:1。3.根据权利要求1所述的一种富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂的制备方法，其特征在于：所述无水乙醇作为白色固体的洗涤剂，洗涤方式为1～5次，每次10～100mL。4.根据权利要求1所述的一种富含晶面和氧空位In(OH)3催化剂的制备方法，其特征在于：所述炭黑包括以下型号：Super P、Super C45、Ketjenblack ECP、Ketjenblack ECP
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600JD和TIMICAL KS
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【专利技术属性】
技术研发人员：田宽，李正毅，陈嘉胜，周敏，郭珍燕，梁锦艳，王克平，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：
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