CN111701593A - 一种锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的制备及其电催化氮气还原应用 - Google Patents
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Abstract
氨对人类的生存和发展具有重要意义。目前的工业合成氨方案是德国化学家Haber和Bosch在20世纪初开发的以氮气和氢气为原料的合成氨工艺。然而,Haber‑Bosch工艺存在条件苛刻、对设备要求高、能耗高、转化率低等问题，越来越不符合经济社会发展的要求。相比Haber‑Bosch法,电化学合成氨近年来已被证实是可在温和条件下进行的潜在的合成氨替代技术。鉴于此，在大量实验测试的基础上，本发明研究了一种锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的制备及其电催化氮气还原应用，并表现出较高的氨产量及法拉第效率。该发明将会为常温常压下电化学合成氨研究进展做出一定的贡献。
Description
技术领域
本发明涉及层状双金属氢氧化物催化剂的制备方法及其应用领域，具体涉及一种锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的制备及其电催化氮气还原应用研究。
背景技术
氨是世界上产量最多的无机化合物之一，是制造硝酸、化肥、炸药的重要原料。氨对地球上的生物相当重要，它是许多食物和肥料的重要成分。氨也是所有药物直接或间接的组成。合成氨工业是当前化工工业的重要组成部分，而传统的哈伯-博施(Haber–Bosch)法不仅能耗严重，而且会造成严重的环境污染，严重制约着国民经济的发展。因此，在经过一百多年的哈伯-博施法工业合成氨后的今天，寻找一种资源节约型和环境友好型的人工合成氨战略，实现在常温常压条件下将氮气还原成氨气是目前能源领域的研究热点。
以太阳能/风能等可持续能源产生的电能作为能量来源，以水和氮气（甚至空气）作为反应原料，通过电催化氮还原反应合成氨是一种绿色可持续的合成氨路线。然而，电化学合成氨技术仍面临重大挑战，一方面较低的氮气溶解度严重限制了其传质过程，另一方面强烈的析氢竞争反应使其选择性和活性非常低。因此，为实现反应选择性和活性的大幅提升，合理设计开发新型高效催化剂尤为关键。
二维层状材料因其具有较高的比表面积和独特的电子特性可作为很好的电极材料,在电催化和储能中应用广泛。其中,层状双金属氢氧化物以其典型的层状结构特征,且价格低廉、合成方法简单并易于功能化、组成易于调控、结构可裁剪等优点在电催化及催化材料的制备中具有很好的发展前景。已有文献报道，Li+的存在可以通过降低H*吸附自由能来有效抑制氢释放反应，提高N2吸附自由能来促进N2吸附，并通过降低活化能垒来增强电催化N2还原活性反应。此外，在生物固氮的启发下，铁由于其与氮的强相互作用，可以增强氮分子的吸附和活化。综上所述，本发明提供了一种锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的制备以及该催化剂在电催化氮气还原成氨中的应用研究，为电催化氮气还原成氨反应的选择性及产率提高提供了新的思路。
发明内容
本发明的目的之一是一种锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的新型制备方法。
本发明的目的之二是将所合成的锂铁层状双金属氢氧化物催化剂应用于电催化氮气还原研究中。
本发明技术方案如下
1.一种锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的制备及其电催化氮气还原应用，所涉及的锂铁层状双金属氢氧化物催化剂制备步骤如下：
（1）锂铁层状双金属氢氧化物是由一步电沉积方案制备而成，具体来说，将锂源试剂、铁源试剂加入到50 ml蒸馏水中，强力搅拌获得均匀溶液，期间保持氮气鼓入防止铁源试剂中的二价铁离子被氧化，从而得到用于制备锂铁层状双金属氢氧化物的制备液；
（2）以上述制备液作为电解液，分别使用铂电极和饱和甘汞电极作为对电极和参比电极，以裸碳布作为工作电极，采用恒电位沉积法进行一定时间的电沉积从而制备锂铁层状双金属氢氧化物催化剂。
2. 该方案的锂铁层状双金属氢氧化物催化剂尚属首次合成，运用恒电位沉积法实现了一步合成锂铁层状双金属氢氧化物，不仅省时省力，而且所合成的催化剂性能优越，且形貌良好，层状结构以及锂铁双金属的存在赋予材料丰富的电子结构，可以大大增强催化剂的氮气还原性能。
3. 上述的锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的制备方法，锂源试剂为硝酸锂、硫酸锂、氯化锂、碳酸锂中的一种或几种的组合，锂源试剂的含量为0.2 ~ 1.0 g，铁源试剂为六水合硝酸亚铁、二水合草酸亚铁、氯化亚铁、硫酸亚铁中的一种或几种的组合，铁源试剂的含量为0.5 ~ 1.3 g。
4. 上述的锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的制备方法，恒电位设置电位范围为相对于饱和甘汞电极的-0.8 ~ -1.3 V， 施加电位的时间为100 ~ 500 s。
5. 一种锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的制备及其电催化氮气还原应用，所述的电催化氮气还原性能研究过程，采用三电极体系，以H型玻璃电解槽进行电解测试，在电化学工作站上进行氮气还原的电催化测试；以0.1 mol/L的硫酸钠作为电解液，以负载有锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的碳布为工作电极，以碳棒为对电极，以Ag/AgCl电极为参比电极。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
1. 将0.5 g硝酸锂、1.0 g七水合硫酸亚铁溶解在50 mL蒸馏水中得到用于电沉积锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的电解液，强力搅拌均匀，并以500 r / min的流速不断通入氮气以防止二价铁离子的氧化。使用传统的三电极体系进行恒电位沉积，将预处理好的碳布确保表面清洁后作为工作电极，以铂电极和饱和甘汞电极分别作为对电极和参比电极。恒电位设置电位为相对于饱和甘汞电极的-1.0 V，在沉积时间200 s后取出碳布工作电极，去离子水冲洗并干燥，碳布表面已经均匀负载锂铁层状双金属氢氧化物催化剂；
2. 锂铁层状双金属氢氧化物电催化制氨应用
（1）采用三电极体系，在辰华660E电化学工作站上进行电催化制氨性能测试。将负载锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的碳布裁剪至0.5 cm × 0.5 cm作为工作电极，以碳棒为对电极，以Ag/AgCl电极为参比电极。以0.1 mol/L 硫酸钠溶液为电解液，以H型玻璃电解槽为反应装置；
（2）在三电极体系中进行线性电压扫描测试，电压区间为-1.0 ~ -1.6 V（相对Ag/AgCl电极）。初始电位为-1.0 V，终止电位为-1.6 V。扫描速率为5 mV/s。采样间隔为0.001 V。静置时间为2 s。首先，向电解液中通入氩气30 min以排出电解液中溶解的氮气，待氩气饱和后进行第一次线性电压扫描测试；然后向电解液中通入氮气30 min，待氮气饱和后进行第二次线性电压扫描测试；
（3）以涂有钌铑合金纳米花球催化剂的碳纸为工作电极，对催化剂进行长时间电催化制氨测试，电位分别设置为-1.0 V，-1.1 V，-1.2 V，-1.3 V，-1.4 V，-1.5 V（相对Ag/AgCl）运行时间为7200 s；
3.氨产量测试
（1）工作曲线绘制：以氯化铵为标准试剂在0.1 mol/L的硫酸钠溶液中分别配制0.0 μg/mL，0.1 μg/mL，0.2 μg/mL，0.3 μg/mL，0.4 μg/mL，0.5 μg/mL，0.6 μg/mL，0.7 μg/mL，0.8 μg/mL，0.9 μg/mL，1.0 μg/mL的标准溶液并对其进行显色反应测试吸光度。取标准溶液4 mL加入到含有次氯酸钠（ρCl= 4–4.9）和氢氧化钠（0.75 M）的50 µL氧化溶液中，然后进一步依次加入500 µL含0.4 M 水杨酸钠和0.32 M 氢氧化钠的着色溶液，最后加入50 µL催化剂溶液（0.1 g 硝普酸钠用去离子水稀释至10 mL），室温避光条件下静置显色1 h后运用紫外可见分光光度计在550 ~ 800 nm波长范围内进行光谱扫描，记录655 nm处吸光度数值并与浓度作图得到工作曲线；
（2）产量测试：分别取各个电位下运行7200 s后的电解液4 mL，加入到含有次氯酸钠（ρCl= 4–4.9）和氢氧化钠（0.75 M）的50 µL氧化溶液中，然后进一步依次加入500 µL含0.4 M水杨酸钠和0.32 M 氢氧化钠的着色溶液，最后加入50 µL 催化剂溶液（0.1 g 硝普酸钠用去离子水稀释至10 mL），室温避光条件下静置显色1 h后运用紫外可见分光光度计在550 ~800 nm波长范围内进行光谱扫描，记录655 nm处吸光度数值，与工作曲线相结合最终得到氨的浓度。经数据处理和计算后，铁掺杂硫化铋纳米粉体应用到电催化制氨中效果优异，-0.4 V（相对标准氢电极）下氨产率达到98.83 µg h–1 cm–2 cat.，法拉第效率达9.56 %。
实施例2
1. 将1.0 g硝酸锂、0.5 g七水合硫酸亚铁溶解在50 mL蒸馏水中得到用于电沉积锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的电解液，强力搅拌均匀，并以500 r / min的流速不断通入氮气以防止二价铁离子的氧化。使用传统的三电极体系进行恒电位沉积，将预处理好的碳布确保表面清洁后作为工作电极，以铂电极和饱和甘汞电极分别作为对电极和参比电极。恒电位设置电位为相对于饱和甘汞电极的-1.0 V，在沉积时间200 s后取出碳布工作电极，去离子水冲洗并干燥，碳布表面已经均匀负载锂铁层状双金属氢氧化物催化剂；
2. 锂铁层状双金属氢氧化物电催化制氨应用
（1）采用三电极体系，在辰华660E电化学工作站上进行电催化制氨性能测试。将负载锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的碳布裁剪至0.5 cm × 0.5 cm作为工作电极，以碳棒为对电极，以Ag/AgCl电极为参比电极。以0.1 mol/L 硫酸钠溶液为电解液，以H型玻璃电解槽为反应装置；
（2）在三电极体系中进行线性电压扫描测试，电压区间为-1.0 ~ -1.6 V（相对Ag/AgCl电极）。初始电位为-1.0 V，终止电位为-1.6 V。扫描速率为5 mV/s。采样间隔为0.001 V。静置时间为2 s。首先，向电解液中通入氩气30 min以排出电解液中溶解的氮气，待氩气饱和后进行第一次线性电压扫描测试；然后向电解液中通入氮气30 min，待氮气饱和后进行第二次线性电压扫描测试；
（3）以涂有钌铑合金纳米花球催化剂的碳纸为工作电极，对催化剂进行长时间电催化制氨测试，电位分别设置为-1.0 V，-1.1 V，-1.2 V，-1.3 V，-1.4 V，-1.5 V（相对Ag/AgCl）运行时间为7200 s；
3.氨产量测试
（1）工作曲线绘制：以氯化铵为标准试剂在0.1 mol/L的硫酸钠溶液中分别配制0.0 μg/mL，0.1 μg/mL，0.2 μg/mL，0.3 μg/mL，0.4 μg/mL，0.5 μg/mL，0.6 μg/mL，0.7 μg/mL，0.8 μg/mL，0.9 μg/mL，1.0 μg/mL的标准溶液并对其进行显色反应测试吸光度。取标准溶液4 mL加入到含有次氯酸钠（ρCl= 4–4.9）和氢氧化钠（0.75 M）的50 µL氧化溶液中，然后进一步依次加入500 µL含0.4 M 水杨酸钠和0.32 M 氢氧化钠的着色溶液，最后加入50 µL催化剂溶液（0.1 g 硝普酸钠用去离子水稀释至10 mL），室温避光条件下静置显色1 h后运用紫外可见分光光度计在550 ~ 800 nm波长范围内进行光谱扫描，记录655 nm处吸光度数值并与浓度作图得到工作曲线；
（2）产量测试：分别取各个电位下运行7200 s后的电解液4 mL，加入到含有次氯酸钠（ρCl= 4–4.9）和氢氧化钠（0.75 M）的50 µL氧化溶液中，然后进一步依次加入500 µL含0.4 M水杨酸钠和0.32 M 氢氧化钠的着色溶液，最后加入50 µL 催化剂溶液（0.1 g 硝普酸钠用去离子水稀释至10 mL），室温避光条件下静置显色1 h后运用紫外可见分光光度计在550 ~800 nm波长范围内进行光谱扫描，记录655 nm处吸光度数值，与工作曲线相结合最终得到氨的浓度。经数据处理和计算后，铁掺杂硫化铋纳米粉体应用到电催化制氨中效果优异，-0.4 V（相对标准氢电极）下氨产率达到42.78 µg h–1 cm–2 cat.，法拉第效率达8.63 %。
实施例3
1. 将0.8 g硝酸锂、1.0 g七水合硫酸亚铁溶解在50 mL蒸馏水中得到用于电沉积锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的电解液，强力搅拌均匀，并以500 r / min的流速不断通入氮气以防止二价铁离子的氧化。使用传统的三电极体系进行恒电位沉积，将预处理好的碳布确保表面清洁后作为工作电极，以铂电极和饱和甘汞电极分别作为对电极和参比电极。恒电位设置电位为相对于饱和甘汞电极的-1.0 V，在沉积时间300 s后取出碳布工作电极，去离子水冲洗并干燥，碳布表面已经均匀负载锂铁层状双金属氢氧化物催化剂；
2. 锂铁层状双金属氢氧化物电催化制氨应用
（1）采用三电极体系，在辰华660E电化学工作站上进行电催化制氨性能测试。将负载锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的碳布裁剪至0.5 cm × 0.5 cm作为工作电极，以碳棒为对电极，以Ag/AgCl电极为参比电极。以0.1 mol/L 硫酸钠溶液为电解液，以H型玻璃电解槽为反应装置；
（2）在三电极体系中进行线性电压扫描测试，电压区间为-1.0 ~ -1.6 V（相对Ag/AgCl电极）。初始电位为-1.0 V，终止电位为-1.6 V。扫描速率为5 mV/s。采样间隔为0.001 V。静置时间为2 s。首先，向电解液中通入氩气30 min以排出电解液中溶解的氮气，待氩气饱和后进行第一次线性电压扫描测试；然后向电解液中通入氮气30 min，待氮气饱和后进行第二次线性电压扫描测试；
（3）以涂有钌铑合金纳米花球催化剂的碳纸为工作电极，对催化剂进行长时间电催化制氨测试，电位分别设置为-1.0 V，-1.1 V，-1.2 V，-1.3 V，-1.4 V，-1.5 V（相对Ag/AgCl）运行时间为7200 s；
3.氨产量测试
（1）工作曲线绘制：以氯化铵为标准试剂在0.1 mol/L的硫酸钠溶液中分别配制0.0 μg/mL，0.1 μg/mL，0.2 μg/mL，0.3 μg/mL，0.4 μg/mL，0.5 μg/mL，0.6 μg/mL，0.7 μg/mL，0.8 μg/mL，0.9 μg/mL，1.0 μg/mL的标准溶液并对其进行显色反应测试吸光度。取标准溶液4 mL加入到含有次氯酸钠（ρCl= 4–4.9）和氢氧化钠（0.75 M）的50 µL氧化溶液中，然后进一步依次加入500 µL含0.4 M 水杨酸钠和0.32 M 氢氧化钠的着色溶液，最后加入50 µL催化剂溶液（0.1 g 硝普酸钠用去离子水稀释至10 mL），室温避光条件下静置显色1 h后运用紫外可见分光光度计在550 ~ 800 nm波长范围内进行光谱扫描，记录655 nm处吸光度数值并与浓度作图得到工作曲线；
（2）产量测试：分别取各个电位下运行7200 s后的电解液4 mL，加入到含有次氯酸钠（ρCl= 4–4.9）和氢氧化钠（0.75 M）的50 µL氧化溶液中，然后进一步依次加入500 µL含0.4 M水杨酸钠和0.32 M 氢氧化钠的着色溶液，最后加入50 µL 催化剂溶液（0.1 g 硝普酸钠用去离子水稀释至10 mL），室温避光条件下静置显色1 h后运用紫外可见分光光度计在550 ~800 nm波长范围内进行光谱扫描，记录655 nm处吸光度数值，与工作曲线相结合最终得到氨的浓度。经数据处理和计算后，铁掺杂硫化铋纳米粉体应用到电催化制氨中效果优异，-0.4 V（相对标准氢电极）下氨产率达到52.31 µg h–1 cm–2 cat.，法拉第效率达10.23 %。
实施例4
1. 将0.5 g硝酸锂、0.5 g七水合硫酸亚铁溶解在50 mL蒸馏水中得到用于电沉积锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的电解液，强力搅拌均匀，并以500 r / min的流速不断通入氮气以防止二价铁离子的氧化。使用传统的三电极体系进行恒电位沉积，将预处理好的碳布确保表面清洁后作为工作电极，以铂电极和饱和甘汞电极分别作为对电极和参比电极。恒电位设置电位为相对于饱和甘汞电极的-1.0 V，在沉积时间300 s后取出碳布工作电极，去离子水冲洗并干燥，碳布表面已经均匀负载锂铁层状双金属氢氧化物催化剂；
2. 锂铁层状双金属氢氧化物电催化制氨应用
（1）采用三电极体系，在辰华660E电化学工作站上进行电催化制氨性能测试。将负载锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的碳布裁剪至0.5 cm × 0.5 cm作为工作电极，以碳棒为对电极，以Ag/AgCl电极为参比电极。以0.1 mol/L 硫酸钠溶液为电解液，以H型玻璃电解槽为反应装置；
（2）在三电极体系中进行线性电压扫描测试，电压区间为-1.0 ~ -1.6 V（相对Ag/AgCl电极）。初始电位为-1.0 V，终止电位为-1.6 V。扫描速率为5 mV/s。采样间隔为0.001 V。静置时间为2 s。首先，向电解液中通入氩气30 min以排出电解液中溶解的氮气，待氩气饱和后进行第一次线性电压扫描测试；然后向电解液中通入氮气30 min，待氮气饱和后进行第二次线性电压扫描测试；
（3）以涂有钌铑合金纳米花球催化剂的碳纸为工作电极，对催化剂进行长时间电催化制氨测试，电位分别设置为-1.0 V，-1.1 V，-1.2 V，-1.3 V，-1.4 V，-1.5 V（相对Ag/AgCl）运行时间为7200 s；
3.氨产量测试
（1）工作曲线绘制：以氯化铵为标准试剂在0.1 mol/L的硫酸钠溶液中分别配制0.0 μg/mL，0.1 μg/mL，0.2 μg/mL，0.3 μg/mL，0.4 μg/mL，0.5 μg/mL，0.6 μg/mL，0.7 μg/mL，0.8 μg/mL，0.9 μg/mL，1.0 μg/mL的标准溶液并对其进行显色反应测试吸光度。取标准溶液4 mL加入到含有次氯酸钠（ρCl= 4–4.9）和氢氧化钠（0.75 M）的50 µL氧化溶液中，然后进一步依次加入500 µL含0.4 M 水杨酸钠和0.32 M 氢氧化钠的着色溶液，最后加入50 µL催化剂溶液（0.1 g 硝普酸钠用去离子水稀释至10 mL），室温避光条件下静置显色1 h后运用紫外可见分光光度计在550 ~ 800 nm波长范围内进行光谱扫描，记录655 nm处吸光度数值并与浓度作图得到工作曲线；
（2）产量测试：分别取各个电位下运行7200 s后的电解液4 mL，加入到含有次氯酸钠（ρCl= 4–4.9）和氢氧化钠（0.75 M）的50 µL氧化溶液中，然后进一步依次加入500 µL含0.4 M水杨酸钠和0.32 M 氢氧化钠的着色溶液，最后加入50 µL 催化剂溶液（0.1 g 硝普酸钠用去离子水稀释至10 mL），室温避光条件下静置显色1 h后运用紫外可见分光光度计在550 ~800 nm波长范围内进行光谱扫描，记录655 nm处吸光度数值，与工作曲线相结合最终得到氨的浓度。经数据处理和计算后，铁掺杂硫化铋纳米粉体应用到电催化制氨中效果优异，-0.4 V（相对标准氢电极）下氨产率达到46.15 µg h–1 cm–2 cat.，法拉第效率达9.03 %。
Claims (4)
1.一种锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的制备及其电催化氮气还原应用，所涉及的锂铁层状双金属氢氧化物催化剂其特征在于，制备步骤如下：
（1）锂铁层状双金属氢氧化物是由一步电沉积方案制备而成，具体来说，将锂源试剂、铁源试剂加入到50 ml蒸馏水中，强力搅拌获得均匀溶液，期间保持氮气鼓入防止铁源试剂中的二价铁离子被氧化，从而得到用于制备锂铁层状双金属氢氧化物的制备液；
（2）以上述制备液作为电解液，分别使用铂电极和饱和甘汞电极作为对电极和参比电极，以裸碳布作为工作电极，采用恒电位沉积法进行一定时间的电沉积从而制备锂铁层状双金属氢氧化物催化剂。
2.如权利要求1所述的锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，锂源试剂为硝酸锂、硫酸锂、氯化锂、碳酸锂中的一种或几种的组合，锂源试剂的含量为0.2 ~ 1.0 g，铁源试剂为六水合硝酸亚铁、二水合草酸亚铁、氯化亚铁、硫酸亚铁中的一种或几种的组合，铁源试剂的含量为0.5 ~ 1.3 g。
3.如权利要求1所述的锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，恒电位设置电位范围为相对于饱和甘汞电极的-0.8 ~ -1.3 V， 施加电位的时间为100 ~ 500 s。
4.一种锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的制备及其电催化氮气还原应用，所述的电催化氮气还原性能研究过程，其特征在于，包含如下步骤：采用三电极体系，以H型玻璃电解槽进行电解测试，在电化学工作站上进行氮气还原的电催化测试；以0.1 mol/L的硫酸钠作为电解液，以负载有锂铁层状双金属氢氧化物催化剂的碳布为工作电极，以碳棒为对电极，以Ag/AgCl电极为参比电极。
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Application publication date: 20200925 |