CN109806869A - 一种可回收高效催化剂及水解制备氧气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种可回收高效催化剂及水解制备氧气的方法，本发明的一种可回收高效催化剂的制备方法采用的原料成本低，过渡金属铁、锰和钴在地壳中储量丰富，可以进行大规模的工业化生产；本发明能够实现催化剂与反应体系的分离，磁性纳米粒子可以循环使用，经济环保，并且本发明的催化剂负载了过渡金属，大大提高了催化剂的稳定性；本发明制备的磁性催化剂中加入了纳米成分，加快了反应进程，提高了反应速率，使反应更加彻底；本发明的一种制备氧气的方法，在电解液中加入用本发明的方法制备得到的催化剂，使反应速率加快，增加氢气和氧气的产量，提高企业的经济利润。

Description

一种可回收高效催化剂及水解制备氧气的方法
技术领域
本发明涉及催化剂制备技术领域，尤其涉及一种可回收高效催化剂及水解制备氧气的方法。
背景技术
随着世界人口和各国经济的快速发展，环境污染和能源危机也日益加剧，人类的可持续发展正面临着严峻的考验。化石能源长期以来作为人类生存利用的主要能源，其消耗速率也随着人口增长和经济的发展变得越来越快，特别是工业化时代以来，由化石能源给环境带来的不可修复的负面影响引起公众的强烈关注，因此，各种新能源和可再生能源的开发成为当今世界日益重视的课题，水是地球上最丰富的一种化合物，全球约有四分之三的面积覆盖着水，地球上的水的总体积约有13亿8600万立方千米，因此利用水为原料，将水分解为氧气和氢气，不仅是一种环境友好型的清洁的化学反应，而且还是零二氧化碳排放的化学反应。
电解水在阳极发生水氧化反应生成氧气，在阴极发生还原反应产生氢气，其中，水氧化反应的过程中需要转移4e-，是一个动力学很缓慢的过程，需要施加很高的过电压才能够驱动反应的发生，因此，需要加入催化剂来降低过电位，提高能源的转化效率。目前二氧化铱、二氧化钌和二氧化铂等贵金属氧化物是最高效的析氧电催化剂，但是，这些贵金属材料不仅储存量低而且给生产商造成巨大的工业成本。近年来，非贵金属催化剂也逐渐得到发展，过渡金属氧化物、氢氧化物、硫化物和磷化物得到了一定的发展，然而，这些催化剂的活性效果还有待于提高。
现阶段，为了使催化剂反应后能够与反应体系快速的分开，便于回收，使催化剂能够再生利用，提高催化剂的使用率，人们向载体中加入了磁核，磁核的引入使催化剂与反应体系得到很好的分离，但是，催化剂在回收过程中容易造成大量的损失，运用到水电解实验中，效果不理想。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种成本低，稳定性高，催化效率好的可回收高效催化剂及水解制备氧气的方法。
本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种可回收高效催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1，在惰性气体保护下，向氯化铁中加入乙二醇，搅拌，干燥，离心去上清液，洗涤，干燥，得到第一混合物；
S2，向步骤S1得到的第一混合物中加入氨水和硅酸四乙酯，搅拌，洗涤，干燥，得到第二混合物；
S3，向步骤S2得到的第二混合物中加入乙醇和去离子水，搅拌，加入过渡金属盐，搅拌，加入硼氢化钠，搅拌，洗涤，干燥，得到第三混合物；
S4，将步骤S3得到的第三混合物负载到碳纤维基体内部和表面。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S1中的惰性气体为氦气、氖气和氩气中的任意一种。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S1中，氯化铁和乙二醇的质量比为1:10-15。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S1中，在60-80℃下搅拌3-5h；在100-150℃下干燥8-10h；5000r/min离心30-40min；用去离子水或者乙醇中的任意一种洗涤；50-60℃下干燥8-12h。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S2中，加入质量百分比为10-25％的浓度为25-35％的氨水，加入质量百分比为5-10％的硅酸四乙酯。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S2中，25-50℃下搅拌24-48h；用乙醇洗涤3-5次；60-80℃下干燥10-12h。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S3中，过渡金属盐为钴盐、铁盐、锰盐中的任意一种。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S3中，第二混合物与乙醇和去离子水的质量比为1:20-50:10-20，搅拌12-24h。
在以上技术方案的基础上，优选的，加入等质量的过渡铁盐，30-50℃水浴加热搅拌12-18h，加入2倍质量的硼氢化钠，搅拌1-3h，蒸馏水洗涤3-5次，60-80℃下干燥12-24h。
另一方面，本发明提供了一种水解制备氧气的方法，向电解液中加入按本发明制备得到的催化剂进行电解。
本发明的一种可回收高效催化剂及水解制备氧气的方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明的一种可回收高效催化剂的制备方法，采用的原料成本低，过渡金属铁、锰和钴在地壳中储量丰富，可以进行大规模的工业化生产；
(2)本发明制备的催化剂能够实现催化剂与反应体系的分离，磁性纳米粒子可以循环使用，经济环保，并且本发明的催化剂负载了过渡金属，大大提高了催化剂的稳定性；
(3)本发明制备的磁性催化剂中加入了纳米铁，加快了反应进程，提高了反应速率，使反应更加彻底；
(4)本发明的一种制备氧气的方法，在电解液中加入用本发明的方法制备得到的催化剂，使反应速率加快，增加氢气和氧气的产量，提高企业的经济利润。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种可回收高效催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1，在氦气保护下，向氯化铁中加入10倍质量的乙二醇，在60℃下磁力搅拌3h，在100℃下干燥8h，5000r/min离心30min去上清液，用去离子水洗涤，50℃下干燥8h，得到第一混合物；
S2，向步骤S1得到的第一混合物中加入质量百分比为10％的浓度为25％的氨水和质量百分比为5％的硅酸四乙酯，25℃下搅拌24h，用乙醇洗涤3次，60℃下干燥10h，得到第二混合物；
S3，向步骤S2得到的第二混合物中加入20倍质量的乙醇和10倍质量的去离子水超声溶解，搅拌12h，加入等质量硝酸铁，30℃水浴加热搅拌12h，加入2倍质量的硼氢化钠，搅拌1h，蒸馏水洗涤3次，60-80℃下干燥12h，得到第三混合物；
S4，将步骤S3得到的第三混合物负载到碳纤维基体内部和表面。
一种水解制备氧气的方法，按照GB/T3863-2008方法电解水制备氧气，向电解液中加入按本发明制备得到的催化剂进行电解。
实施例二
一种可回收高效催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1，在氦气保护下，向氯化铁中加入12倍质量的乙二醇，在70℃下磁力搅拌4h，在120℃下干燥9h，5000r/min离心35min去上清液，用去离子水洗涤，55℃下干燥10h，得到第一混合物；
S2，向步骤S1得到的第一混合物中加入质量百分比为20％的浓度为30％的氨水和质量百分比为8％的硅酸四乙酯，35℃下搅拌35h，用乙醇洗涤4次，70℃下干燥11h，得到第二混合物；
S3，向步骤S2得到的第二混合物中加入30倍质量的乙醇和15倍质量的去离子水超声溶解，搅拌20h，加入等质量硝酸铁，35℃水浴加热搅拌15h，加入2倍质量的硼氢化钠，搅拌2h，蒸馏水洗涤4次，70℃下干燥20h，得到第三混合物；
S4，将步骤S3得到的第三混合物负载到碳纤维基体内部和表面。
一种水解制备氧气的方法，按照GB/T3863-2008方法电解水制备氧气，向电解液中加入按本发明制备得到的催化剂进行电解。
实施例三
一种可回收高效催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1，在氦气保护下，向氯化铁中加入15倍质量的乙二醇，在80℃下磁力搅拌5h，在150℃下干燥10h，5000r/min离心40min去上清液，用去离子水洗涤，60℃下干燥12h，得到第一混合物；
S2，向步骤S1得到的第一混合物中加入质量百分比为25％的浓度为35％的氨水和质量百分比为10％的硅酸四乙酯，50℃下搅拌48h，用乙醇洗涤5次，80℃下干燥12h，得到第二混合物；
S3，向步骤S2得到的第二混合物中加入50倍质量的乙醇和20倍质量的去离子水超声溶解，搅拌24h，加入等质量硝酸铁，50℃水浴加热搅拌18h，加入2倍质量的硼氢化钠，搅拌3h，蒸馏水洗涤5次，80℃下干燥24h，得到第三混合物；
S4，将步骤S3得到的第三混合物负载到碳纤维基体内部和表面。
一种水解制备氧气的方法，按照GB/T3863-2008方法电解水制备氧气，向电解液中加入按本发明制备得到的催化剂进行电解。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可回收高效催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，在惰性气体保护下，向氯化铁中加入乙二醇，搅拌，干燥，离心去上清液，洗涤，干燥，得到第一混合物；
S2，向步骤S1得到的第一混合物中加入氨水和硅酸四乙酯，搅拌，洗涤，干燥，得到第二混合物；
S3，向步骤S2得到的第二混合物中加入乙醇和去离子水，搅拌，加入过渡金属盐，搅拌，加入硼氢化钠，搅拌，洗涤，干燥，得到第三混合物；
S4，将步骤S3得到的第三混合物负载到碳纤维基体内部和表面。
2.如权利要求1所述的一种可回收高效催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的惰性气体为氦气、氖气和氩气中的任意一种。
3.如权利要求1所述的一种可回收高效催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，氯化铁和乙二醇的质量比为1:10-15。
4.如权利要求1所述的一种可回收高效催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，在60-80℃下搅拌3-5h；在100-150℃下干燥8-10h；5000r/min离心30-40min；用去离子水或者乙醇中的任意一种洗涤；50-60℃下干燥8-12h。
5.如权利要求1所述的一种可回收高效催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，加入质量百分比为10-25％的浓度为25-35％的氨水，加入质量百分比为5-10％的硅酸四乙酯。
6.如权利要求1所述的一种可回收高效催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，25-50℃下搅拌24-48h；用乙醇洗涤3-5次；60-80℃下干燥10-12h。
7.如权利要求1所述的一种可回收高效催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，过渡金属盐为钴盐、铁盐、锰盐中的任意一种。
8.如权利要求1所述的一种可回收高效催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，第二混合物与乙醇和去离子水的质量比为1:20-50:10-20，搅拌12-24h。
9.如权利要求1所述的一种可回收高效催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，加入等质量的过渡铁盐，30-50℃水浴加热搅拌12-18h，加入2倍质量的硼氢化钠，搅拌1-3h，蒸馏水洗涤3-5次，60-80℃下干燥12-24h。
10.一种水解制备氧气的方法，其特征在于：向电解液中加入按权利要求1～9中任一项制备得到的催化剂进行电解。
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