【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电化学催化氧化，涉及燃料电池阳极催化剂，特别是涉及碱性体系下的直接尿素燃料电池非贵金属基碳材料阳极催化剂及其制备方法。本专利技术制备的催化剂可以用于尿素燃料的电化学催化氧化。
技术介绍
1、人类和动物每天会产生大量的尿液，其中含有约2～2.5%的尿素。工业上生产尿素以及农业上尿素作为氮肥使用的过程也导致了大量含尿素废水的产生。尿素可以在生态系统中降解为氨(nh3)，对环境造成二次污染。
2、目前对含尿素废水的净化主要有热水解、生物分解、化学氧化等多种方法。然而，这些方法普遍存在成本高、工作条件恶劣或者能耗过高的问题，极大地阻碍了它们的广泛应用。
3、然而，尿素价格便宜，储量丰富，相对安全，易于储存和运输，可以直接用于燃料电池中，取代传统的阳极构成直接尿素燃料电池(dufc)。尿素电化学氧化法不仅能够降低含脲废水的污染，而且在阴极同时产生氢气，因此越来越受到学术界和工业界的关注。
4、一般来说，pt、pd、ru等贵金属具有良好的催化活性，被广泛用作直接燃料电池的阳极催化剂。但这些贵金属基催化剂对于尿素的氧化性能一般，且其高昂的成本也直接影响了dufc的大规模商业推广。因此，迫切需要开发一种价格低廉、催化活性高、稳定性好的尿素氧化阳极催化剂。
5、众多的非贵金属基催化剂中，镍在地壳中含量丰富，价格低廉，镍基催化剂被证明是有效的尿素氧化反应(uor)用阳极催化剂。各种uor催化剂如nimo@zno/nf(j. cao, h.li, r. zhu, l. ma, k. zho
6、一般用于直接燃料电池阳极的镍基催化剂是将镍加载在石墨烯、炭黑、碳纳米管等碳材料上，以提高镍活性组分的导电性和分散性。但是，传统镍基催化剂的制备工艺和方法复杂，活性组分镍的均匀分散性不高，直接影响其对uor的电化学反应活性。
7、例如，上述文献中的nimo@zno/nf、cuo-ni(oh)2 nanomeshes和fe3o4-nio/nf催化剂在电流密度（ j）为10ma cm-2时的uor所需电位过大，分别为1.405v (vs rhe)、1.41v (vsrhe)和1.44v (vs rhe)。因此，需要通过引入非金属元素来加强过渡金属原子间的电子相互作用，精确调整金属活性中心的电子结构，进一步优化表面氧吸附能，从而促进材料催化能力的提高，使其具有较高的uor电催化活性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种碱性体系直接尿素燃料电池阳极催化剂及其制备方法，通过引入异质杂原子来调控催化剂电子结构，提高催化剂的催化活性和电极的导电性。
2、本专利技术所述的碱性体系直接尿素燃料电池用阳极催化剂是以镍盐、h3bo3和pvp为原料，分散于水中加热反应制备前驱体，再由前驱体惰性气氛下煅烧得到的、由含氮的碳材料包裹的单质镍/氧化镍/硼化镍纳米晶复合材料。
3、本专利技术还提供了所述碱性体系直接尿素燃料电池阳极催化剂的具体制备方法，是将镍盐、h3bo3和pvp混合分散在去离子水中，连续搅拌下升温至180～220℃进行反应制备前驱体，再将反应得到的前驱体于惰性气氛下400～600℃煅烧，制成ni/nio/nib@nc复合催化剂。
4、其中，进一步地，本专利技术优选是按照pvp与可溶性镍盐的质量比为1∶3～4.5进行反应。
5、更进一步地，所述反应中加入的h3bo3优选为可溶性镍盐质量的0.9～1.5倍。
6、更具体地，本专利技术是将所述反应得到的前驱体干燥后，于惰性气氛下以2～4℃/min的速率从室温升温至400～600℃进行煅烧，制成ni/nio/nib@nc复合催化剂。
7、其中，所述的煅烧时间优选为2～5h。
8、更进一步地，本专利技术优选是将镍盐、h3bo3和pvp混合分散在去离子水中，50～80℃下连续搅拌不少于30min。
9、本专利技术还提供了一种碱性体系直接尿素燃料电池用阳极，是在阳极材料上涂覆本专利技术所述的阳极催化剂。
10、本专利技术采用pvp作为新型碳源，通过简单的升温反应形成镍基金属化合物取代传统贵金属，煅烧得到包裹单质镍、氧化镍/硼化镍的含氮碳材料纳米晶复合材料，以其作为碱性体系直接尿素燃料电池用阳极催化剂，具有良好的电化学反应活性。
11、将本专利技术制备的阳极催化剂以去离子水和无水乙醇分散后，直接涂覆于亲水性导电碳布表面，干燥后即可制成碱性体系直接尿素燃料电池阳极。以其作为工作电极，不使用任何粘结剂，可以避免非活性区域的存在，使工作电极具有较好的导电性。
12、本专利技术在催化剂中引入杂原子b、n来调控催化剂的电子结构，进一步提高了ni/nio/nib@nc复合催化剂的催化活性。分别采用循环伏安法(cv)、线性扫描伏安法(lsv)、电化学阻抗谱(eis)测试法和计时电流法(ca)测试本专利技术复合催化剂的uor活性、导电性和稳定性，在扫描速率为50mv/s，1m koh+0.33m co(nh2)2溶液混合电解液中电压1.67v (vsrhe)的阳极峰值电流密度可以达到264ma cm-2，在电流密度为10ma cm-2时的uor所需电位为1.37v (vs rhe)，对尿素具有明显的催化效果，且12h计时电流法ca测试电流密度保持在222.4ma cm-2，保持率84.58%。
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1.碱性体系直接尿素燃料电池用阳极催化剂，是以镍盐、H3BO3和PVP为原料，分散于水中加热反应制备前驱体，再由前驱体惰性气氛下煅烧得到的、由含氮的碳材料包裹的单质镍/氧化镍/硼化镍纳米晶复合材料。
2.权利要求1所述碱性体系直接尿素燃料电池用阳极催化剂的制备方法，是将镍盐、H3BO3和PVP混合分散在去离子水中，连续搅拌下升温至180～220℃进行反应制备前驱体，再将反应得到的前驱体于惰性气氛下400～600℃煅烧，制成Ni/NiO/NiB@NC复合催化剂。
3.根据权利要求2所述的碱性体系直接尿素燃料电池用阳极催化剂的制备方法，其特征是PVP与可溶性镍盐的质量比为1∶3～4.5。
4.根据权利要求2或3所述的碱性体系直接尿素燃料电池用阳极催化剂的制备方法，其特征是H3BO3的用量是可溶性镍盐质量的0.9～1.5倍。
5.根据权利要求2所述的碱性体系直接尿素燃料电池用阳极催化剂的制备方法，其特征是将得到的前驱体干燥后，于惰性气氛下以2～4℃/min的速率从室温升温至400～600℃进行煅烧。
6.根据权利要求2或5所述
7.根据权利要求2所述的碱性体系直接尿素燃料电池用阳极催化剂的制备方法，其特征是将镍盐、H3BO3和PVP混合分散在去离子水中，50～80℃下连续搅拌不少于30min。
8.一种碱性体系直接尿素燃料电池用阳极，在所述阳极上涂覆有权利要求1所述的阳极催化剂。
...【技术特征摘要】
1.碱性体系直接尿素燃料电池用阳极催化剂，是以镍盐、h3bo3和pvp为原料，分散于水中加热反应制备前驱体，再由前驱体惰性气氛下煅烧得到的、由含氮的碳材料包裹的单质镍/氧化镍/硼化镍纳米晶复合材料。
2.权利要求1所述碱性体系直接尿素燃料电池用阳极催化剂的制备方法，是将镍盐、h3bo3和pvp混合分散在去离子水中，连续搅拌下升温至180～220℃进行反应制备前驱体，再将反应得到的前驱体于惰性气氛下400～600℃煅烧，制成ni/nio/nib@nc复合催化剂。
3.根据权利要求2所述的碱性体系直接尿素燃料电池用阳极催化剂的制备方法，其特征是pvp与可溶性镍盐的质量比为1∶3～4.5。
4.根据权利要求2或3所述的碱性体系直接尿素燃料电池...
【专利技术属性】
技术研发人员：张雨娟，盛飞龙，胡拖平，高建峰，安富强，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：
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