碳纳米管负载Ru-B共掺杂Co3O4纳米颗粒的制备方法及应用技术

技术编号：40433395 阅读：4 留言：0更新日期：2024-02-22 22:59

本发明专利技术涉及一种碳纳米管负载Ru‑B共掺杂Co<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;纳米颗粒(Ru‑B‑Co<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;/CNT)的制备方法及其作为电催化硝酸盐还原反应(NO<subgt;3</subgt;RR)合成氨催化剂的应用。本发明专利技术以碳纳米管(CNT)为载体，以CoCl<subgt;2</subgt;和RuCl<subgt;3</subgt;为金属前驱体，可溶性淀粉为分散剂，NaBH<subgt;4</subgt;为还原剂和B源，通过湿化学还原法和空气气氛加热制备得到Ru‑B‑Co<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;/CNT催化剂。本发明专利技术制备得到的Ru‑B‑Co<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;纳米颗粒均匀分布在CNT表面，粒径直径为5～8纳米,具有很高的比表面积。该催化剂在电催化NO<subgt;3</subgt;RR中性能优异，其氨产量达到178.02mg<subgt;NH3</subgt;h<supgt;‑1</supgt;g<subgt;催化剂</subgt;<supgt;‑1</supgt;，法拉第效率达到99.27％，并且具有良好的稳定性。本发明专利技术催化剂制备方法简单，不仅为解决硝酸盐水体污染和高效电催化合成氨提供了催化材料，还为设计高性能NO<subgt;3</subgt;RR合成氨催化剂提供了新的思路。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电催化合成氨，具体为一种电催化no3rr合成氨的ru-b-co3o4/cnt催化剂制备方法及应用。

技术介绍

1、氨是生产化肥的重要原材料，也是一种有前景的无碳能源载体。目前，氨的生产主要依赖于哈伯工艺法，即在铁基催化剂的作用下、在高温高压下利用h2和n2反应生成氨。该方法能耗高(每年能耗约占世界总能耗的2％左右)，同时释放大量的co2，导致全球气候变暖。于此同时，近几十年来，随着工业、农业和畜牧业不断排放的化学和非化学污染物，使地表水和地下水的硝酸盐污染状况日益严重。硝酸盐水体污染问题已经成为世界上最为严重的环境问题之一。目前主要通过生物方法(如厌氧细菌法)、物理化学法和电催化法来去除硝酸盐水体污染。但厌氧细菌对生存环境要求苛刻，导致在自然环境中硝酸盐转化速率缓慢。物理化学过程产生的高浓度硝酸盐废水需要进行后处理，使得相关费用过高。综上所述，电催化no3rr不仅可以高效合成氨，还可以减少环境污染，因此得到了人们广泛研究。

2、利用峰电、谷电及废水中的硝酸盐和水，no3rr反应可以快速实现no3-的脱氧和加氢，高效生成产物氨。然而，由于no3-转换为氨涉及到8电子转移，使得电催化no3rr的反应速率比较慢。此外，电催化no3rr还有可能生成no2-、n2等副产物以及发生析氢反应，从而降低氨的法拉第效率(fe)。因此，研究一种高fe、高氨产率和高选择性的no3rr催化剂势在必行。

技术实现思路

1、目前no3rr反应催化剂主要面临fe低、氨产率低和选择性差的

2、本专利技术所述ru-b-co3o4/cnt催化剂是以碳纳米管为载体，以cocl2和rucl3为金属前驱体，可溶性淀粉为分散剂，nabh4作为还原剂和b源，通过湿化学还原法和空气中高温加热得到，具体制备方法如下：

3、1)将300～500mg cnt放置于60～80ml 68wt％的浓硝酸中，90～140℃下油浴回流3～5小时；最后用去离子水多次洗涤至ph＝7，60～80℃真空干燥10～12小时；通过硝酸处理后的cnt表面含有丰富的羟基和羧基基团，增强了对金属离子的吸附能力；

4、2)称取30～50mg步骤1)中所得cnt、1.8～2.0mg rucl3和15～17mg cocl2，溶解于15～20ml去离子水中，充分混合并超声30～40分钟，磁力搅拌8～12小时；然后加入10～15ml去离子水和50～200mg可溶性淀粉，再加入10～15ml摩尔浓度为0.07mol/l的nabh4溶液，磁力搅拌30～60分钟；最后用去离子水和乙醇多次清洗并离心分离，60～80℃真空干燥10～12小时。该步骤得到b-ru-co/cnt；

5、3)将步骤2)中所得b-ru-co/cnt样品放入管式炉，在空气氛围下、300～400℃中加热3～5小时；将制得的样品用去离子水和乙醇多次清洗离心分离，60～80℃真空干燥10～12小时，最终得到ru-b-co3o4/cnt催化剂。

6、按上述制备方法得到的ru-b-co3o4/cnt催化剂，ru-b-co3o4/cnt催化剂中co：b：ru的原子比为86.21:8.61:5.18。

7、按上述制备方法得到的ru-b-co3o4/cnt催化剂，其作为电催化材料用于no3rr反应合成氨；在含有0.1m koh+0.05m kno3的电解液中，ru-b-co3o4/cnt催化剂具有优异的电催化活性和稳定性。

8、本专利技术的技术效果在于：

9、(1)本专利技术采用的湿化学还原法和空气气氛加热法操作简单，实用性强。同时，利用电能进行催化剂制备及no3rr反应，清洁无污染，可适用于大规模工业化生产；

10、(2)本专利技术所制备的ru-b-co3o4/cnt催化剂具有高的电化学活性面积(ecsa)、高的导电性和快的电子传输速率。并且在电催化no3rr反应中性能优异，在-0.1v(可逆氢电极(rhe))的电位下fe和氨产率分别达到99.27％和178.02mgnh3 h-1g催化剂-1。与未掺杂ru和b的co3o4/cnt催化剂相比fe和氨产率发生了显著提升。

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【技术保护点】

1.一种用于电催化NO3RR合成氨的Ru-B-Co3O4/CNT催化剂制备方法，以碳纳米管为载体，以CoCl2和RuCl3为金属前驱体，可溶性淀粉为分散剂，NaBH4为还原剂和B源，通过湿化学还原法和空气气氛加热制备得到Ru-B-Co3O4/CNT催化剂，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述制备方法得到的Ru-B-Co3O4/CNT催化剂，其特征在于：Ru-B-Co3O4/CNT催化剂中Co：B：Ru的原子比为86.21:8.61:5.18。

3.根据权利要求1或2所述制备方法得到的Ru-B-Co3O4/CNT催化剂，其作为电催化材料用于NO3RR反应合成氨。

4.根据权利要求1或2所述制备方法得到的Ru-B-Co3O4/CNT催化剂，其在含有0.1MKOH+0.05M KNO3的电解液中，具有优异的电催化活性和稳定性。

【技术特征摘要】

1.一种用于电催化no3rr合成氨的ru-b-co3o4/cnt催化剂制备方法，以碳纳米管为载体，以cocl2和rucl3为金属前驱体，可溶性淀粉为分散剂，nabh4为还原剂和b源，通过湿化学还原法和空气气氛加热制备得到ru-b-co3o4/cnt催化剂，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述制备方法得到的ru-b-co3o4/cnt催化剂，其特征在于：ru-b-co3...

【专利技术属性】
技术研发人员：文子，王翔宇，王智力，曲燕宾，赵明，蒋青，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：

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