CN113388858A - 一种用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极及其制备方法 - Google Patents

一种用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料合成及能源技术领域，具体涉及一种用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极及其制备方法。本发明采用简单的乳液‑模板法，以六水硝酸镍作为金属源，F127作为模板，TMB用作界面调节剂，可使用不同体积的氨水来调节界面组装过程，经过退火处理从而得到最佳电催化性能的介孔NiO纳米片(六方介孔纳米片)。这种材料成本低，耐用性好，电催化性能较高，循环性能较好，制备工艺简单可控，可代实现量产，为高效电化学还原氮气制备NH3提供新的策略。

Description

一种用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极及 其制备方法
技术领域
本发明属于材料合成及能源技术领域，具体涉及一种用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极及其制备方法。
背景技术
氨用于制造氨水、氮肥(尿素、碳铵等)、复合肥料、硝酸、铵盐、纯碱等，广泛应用于化工、轻工、化肥、制药、合成纤维等领域。含氮无机盐及有机物中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料。故而，氨的合成一直是农业、工业和能源领域一直关注的问题。
在电化学氮气还原反应中电极材料是重要组成部分，而电极材料的催化性能又是决定氨产率的关键因素之一。镍基纳米材料由于其在3d电子轨道中独特的八电子结构而在电子催化中得到了广泛研究。然而，在电化学合成氨的应用中，关于镍基材料的合理设计的报道较少。NiO成本低，耐用性好，是贵金属催化剂理想的替代品。Chu等人(ACSAppl.Energy Mater.2019,2,2288-2295)通过使用自蔓延燃烧方法合成的NiO nanodots@graphene复合材料作为高性能的NRR电催化剂，氨产率为18.6μgh-1mg-1，法拉第效率为7.8％。专利CN110639525A通过电沉积法在泡沫镍表面原位沉积氢氧化镍纳米花，进而热处理获得氧化镍纳米花/泡沫镍。上述两种制备方法产物中氧化镍均匀、比表面积大，但是成本高，制备工艺要求也高。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极及其制备方法。本发明采用简单的乳液-模板法，以六水硝酸镍作为金属源，F127作为模板，TMB用作界面调节剂，可使用不同体积的氨水来调节界面组装过程，经过退火处理从而得到最佳电催化性能的介孔NiO纳米片(六方介孔纳米片)。这种材料成本低，耐用性好，电催化性能较高，循环性能较好，制备工艺简单可控，可代实现量产，为高效电化学还原氮气制备NH3提供新的策略。
本发明所提供的技术方案如下：
一种用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极的制备方法，包括以下步骤：
1)将F127和六水硝酸镍超声溶解于水中，再加入1,3,5-三甲基苯和氨水，然后进行水热合成，合成产物先经过洗涤、干燥，再在空气中退火，得到介孔氧化镍纳米花材料；
2)以步骤1)制备得到的介孔氧化镍纳米花材料制备用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极。
上述技术方案中：
采用水包油(O/W)乳液法可通过将水相(含镍前体的两亲性F127水溶液)和油相(1,3,5-三甲基苯(TMB))混合而获得，其中F127作表面活性剂，F127胶束模板的形成有利于层状结构的制造；TMB用作界面调节剂，可有效避免层状结构堆积；
F127的疏水性PPO片段与TMB通过范德华力相互作用，Ni2+可以定向吸附到F127的亲水基团并自组装定向生长；
氨水的添加会促进晶体的生长，且通过水热反应生产Ni基氢氧化物前体；
通过退火反应去除F127和1,3,5-三甲基苯从而形成大量的介孔纳米微孔，形成由介孔纳米片组成的NiO纳米花，其具有较高的电催化性能和较好的循环性能。
具体的，步骤1)具体包括以下步骤：
1a)在室温下，将每0.5g F127和0.5～5mmol六水硝酸镍超声溶解于30mL水中，然后在30～50℃水浴中搅拌0.5～2h形成均匀的绿色溶液；
1b)将1～1.5mL 1,3,5-三甲基苯缓慢注入步骤1a)得到的所述绿色溶液中，搅拌15～45min后形成乳液，再逐滴加入0.5～7mL浓氨水(27wt％)，优选的，添加2～4mL浓氨水，搅拌15～45min，得到混合液；
1c)将步骤1b)得到的所述混合液转移到聚四氟乙烯的高压釜中，在140～160℃条件下反应16～32h，通过水热反应制得镍基氢氧化物前驱体；
1d)待步骤1c)得到的所述镍基氢氧化物前驱体冷却至室温后，离心收集固相产物，对产物至少进行3次清洗，每次依次用乙醇和水进行清洗，然后于60～80℃烘箱中干燥12～24h，得到粉末固体；
1e)将步骤1d)得到的所述粉末固体在马弗炉中进行退火处理，将粉末固体加热至500～800℃保温1～3h，自然降温至室温，得到所述的介孔氧化镍纳米花材料。
具体的，步骤1e)中，马弗炉的升温速率为2～5℃/min。
具体的，步骤2)具体包括以下步骤：
2a)将每5mg步骤1)得到的所述介孔氧化镍纳米花材料以及10μL的Nafion溶液，添加到490μL乙醇和500μL的H2O的混合液中，超声分散均匀，得到催化剂涂覆液，Nafion溶液的浓度为4～6wt％；
2b)将每20μL催化剂涂覆液滴涂在面积为1×1cm2的碳纸上，并在40～50℃下干燥；
2c)重复步骤2b)，直至碳纸上催化剂的负载量达到0.3mg/cm2以上，得到所述用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极。
本发明还提供了上述制备方法制备得到的用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极。
具体的，所述的介孔氧化镍纳米花材料的纳米片的厚度为12.4～50nm，其中，介孔的主孔径为9.5～15nm。
附图说明
图1是按实施例3所合成的氧化镍纳米花材料的扫描电镜图和透射电镜图。
图2是按实施例1-5所合成的氧化镍纳米花材料的X射线衍射图谱。
图3是按实施例1-5所合成的氧化镍纳米花材料的氮气吸附等温线和孔径分布。
图4是按实施例1-5所合成的氧化镍纳米花材料在-0.4Vvs.RHE电压下的性能图。
图5是按实施例3所合成的氧化镍纳米花材料在-0.4Vvs.RHE电压下的空白对照试验和循环性能图。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：
在室温下，将0.5g F127和0.5mmol六水硝酸镍超声溶解于30mL水中，然后在30℃水浴中搅拌1h形成均匀的绿色溶液；接着将1.5mL 1,3,5-三甲基苯缓慢注入溶液中，搅拌30min后形成乳液，逐滴加入0.5mL浓氨水，搅拌30min；然后将所得到的混合液转移到80mL聚四氟乙烯的高压釜中，在150℃条件下反应24h，通过水热反应制得镍基氢氧化物前驱体。冷却至室温后，通过离心收集产物，产物用乙醇和水至少清洗3次，然后于80℃烘箱中干燥，得到粉末固体；最后在马弗炉中进行退火处理，按2℃/min的升温速率将粉末固体加热至500℃保温2h，自然降温至室温即得到介孔NiO纳米花材料(命名为NiO-NF-0.5，其中0.5表示NH3·H2O的体积)。
取上述制得的5mg NiO-NF-0.5纳米花材料以及10μL的Nafion(5wt％)溶液，添加到490μL乙醇和500μL H2O的混合液中，超声1h得到分散均匀的催化剂。然后将60μL电催化剂滴涂在面积为1×1cm2的碳纸(CP)上，并在40℃下干燥，制成NRR电极材料。
实施例2：
在室温下，将0.5g F127和0.5mmol六水硝酸镍超声溶解于30mL水中，然后在30℃水浴中搅拌1h形成均匀的绿色溶液；接着将1.5mL 1,3,5-三甲基苯缓慢注入溶液中，搅拌30min后形成乳液，逐滴加入1.0mL浓氨水，搅拌30min；然后将所得到的混合液转移到80mL聚四氟乙烯的高压釜中，在150℃条件下反应24h，通过水热反应制得镍基氢氧化物前驱体。冷却至室温后，通过离心收集产物，产物用乙醇和水至少清洗3次，然后于80℃烘箱中干燥，得到粉末固体；最后在马弗炉中进行退火处理，按2℃/min的升温速率将粉末固体加热至500℃保温2h，自然降温至室温即得到介孔NiO纳米花材料(命名为NiO-NF-1.0)。
取上述制得的5mg NiO-NF-1.0纳米花材料以及10μL的Nafion(5wt％)溶液，添加到490μL乙醇和500μL H2O的混合液中，超声1h得到分散均匀的催化剂。然后将60μL电催化剂滴涂在面积为1×1cm2的碳纸(CP)上，并在40℃下干燥，制成NRR电极材料。
实施例3：
在室温下，将0.5g F127和0.5mmol六水硝酸镍超声溶解于30mL水中，然后在30℃水浴中搅拌1h形成均匀的绿色溶液；接着将1.5mL 1,3,5-三甲基苯缓慢注入溶液中，搅拌30min后形成乳液，逐滴加入3.0mL浓氨水，搅拌30min；然后将所得到的混合液转移到80mL聚四氟乙烯的高压釜中，在150℃条件下反应24h，通过水热反应制得镍基氢氧化物前驱体。冷却至室温后，通过离心收集产物，产物用乙醇和水至少清洗3次，然后于80℃烘箱中干燥，得到粉末固体；最后在马弗炉中进行退火处理，按2℃/min的升温速率将粉末固体加热至500℃保温2h，自然降温至室温即得到介孔NiO纳米花材料(命名为NiO-NF-3.0)。
取上述制得的5mg NiO-NF-3.0纳米花材料以及10μL的Nafion(5wt％)溶液，添加到490μL乙醇和500μL H2O的混合液中，超声1h得到分散均匀的催化剂。然后将60μL电催化剂滴涂在面积为1×1cm2的碳纸(CP)上，并在40℃下干燥，制成NRR材料。
实施例4：
在室温下，将0.5g F127和0.5mmol六水硝酸镍超声溶解于30mL水中，然后在30℃水浴中搅拌1h形成均匀的绿色溶液；接着将1.5mL 1,3,5-三甲基苯缓慢注入溶液中，搅拌30min后形成乳液，逐滴加入5.0mL浓氨水，搅拌30min；然后将所得到的混合液转移到80mL聚四氟乙烯的高压釜中，在150℃条件下反应24h，通过水热反应制得镍基氢氧化物前驱体。冷却至室温后，通过离心收集产物，产物用乙醇和水至少清洗3次，然后于80℃烘箱中干燥，得到粉末固体；最后在马弗炉中进行退火处理，按2℃/min的升温速率将粉末固体加热至500℃保温2h，自然降温至室温即得到介孔NiO纳米花材料(命名为NiO-NF-5.0)。
取上述制得的5mg NiO-NF-5.0纳米花材料以及10μL的Nafion(5wt％)溶液，添加到490μL乙醇和500μL H2O的混合液中，超声1h得到分散均匀的催化剂。然后将60μL电催化剂滴涂在面积为1×1cm2的碳纸(CP)上，并在40℃下干燥，制成NRR电极材料。
实施例5：
在室温下，将0.5g F127和0.5mmol六水硝酸镍超声溶解于30mL水中，然后在30℃水浴中搅拌1h形成均匀的绿色溶液；接着将1.5mL 1,3,5-三甲基苯缓慢注入溶液中，搅拌30min后形成乳液，逐滴加入7.0mL浓氨水，搅拌30min；然后将所得到的混合液转移到80mL聚四氟乙烯的高压釜中，在150℃条件下反应24h，通过水热反应制得镍基氢氧化物前驱体。冷却至室温后，通过离心收集产物，产物用乙醇和水至少清洗3次，然后于80℃烘箱中干燥，得到粉末固体；最后在马弗炉中进行退火处理，按2℃/min的升温速率将粉末固体加热至500℃保温2h，自然降温至室温即得到介孔NiO纳米花材料(命名为NiO-NF-7.0)。
取上述制得的5mg NiO-NF-7.0纳米花材料以及10μL Nafion(5wt％)溶液，添加到490μL乙醇和500μL H2O的混合液中，超声1h得到分散均匀的催化剂。然后将60μL电催化剂滴涂在面积为1×1cm2的碳纸(CP)上，并在40℃下干燥，制成NRR电极材料。
图1包括按实施案例3所合成的的氧化镍纳米花的扫描电镜图和透射电镜图，该纳米片的厚度约为15nm，其中介孔主孔径保持在9.5-15nm。
图2是按实施例1-5所合成的氧化镍纳米花材料的X射线衍射图谱，所有的衍射峰都很好的对应于立方相NiO，衍射峰强度高且尖锐，说明样品结晶度高。
图3(a)和3(b)是按实施例1-5所合成的氧化镍纳米花材料的氮气吸附等温线和孔径分布图，由图可以看出，在等温线中观察到明显的磁滞回线，这表明NiO样品存在中孔。孔径分布图显示中孔的孔径在6-10nm之间。这些结果与SEM和TEM结果非常吻合。
图4是按实施例1-5所合成的氧化镍纳米花材料的性能图。常温条件下，在-0.4Vvs.RHE电压下饱和N2的0.1molL-1Na2SO4电解液中进行氮气还原反应测试。氨产率分别3.06、8.28、16.16、14.11、10.73μgh-1mg-1cat.，法拉第效率分别为0.36、1.96、9.17、5.07、3.05％。
图5(a)为NiO-NF-3.0纳米花的空白对照实验。常温条件下，在-0.4Vvs.RHE电压下饱和N2的0.1mol/L Na2SO4电解液中进行氮气还原反应测试。测得该介孔NiO纳米花作为NRR催化剂，氨产率和法拉第效率分别为16.16μgh-1mg-1cat.和9.17％，优于现有的绝大部分贵金属和过渡金属氧化物催化剂。与N2饱和溶液相比，在以下条件下进行NRR电解：显示Ar饱和溶液，开路电势下的N2饱和溶液，以及在N2饱和溶液下使用空白碳纸作为工作电极都没有NH3产生。因此，我们得出结论，NH3仅由NiO-NF-3.0催化NRR所产生。经过循环试验表明(图5(b))，在计时电流法运行的七次循环中，NH3收率没有明显下降，这意味着该材料具有良好的循环稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (6)

1.一种用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将F127和六水硝酸镍超声溶解于水中，再加入1,3,5-三甲基苯和氨水，然后进行水热合成，合成产物先经过洗涤、干燥，再在空气中退火，得到介孔氧化镍纳米花材料；
2)以步骤1)制备得到的介孔氧化镍纳米花材料制备用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极。
2.根据权利要求1所述的用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极的制备方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下步骤：
1a)在室温下，将每0.5g F127和0.5～5mmol六水硝酸镍超声溶解于30mL水中，然后在30～50℃水浴中搅拌0.5～2h形成均匀的绿色溶液；
1b)将1～1.5mL 1,3,5-三甲基苯缓慢注入步骤1a)得到的所述绿色溶液中，搅拌15～45min后形成乳液，再逐滴加入0.5～7mL浓氨水，搅拌15～45min，得到混合液；
1c)将步骤1b)得到的所述混合液转移到聚四氟乙烯的高压釜中，在140～160℃条件下反应16～32h，通过水热反应制得镍基氢氧化物前驱体；
1d)待步骤1c)得到的所述镍基氢氧化物前驱体冷却至室温后，离心收集固相产物，对产物至少进行3次清洗，每次依次用乙醇和水进行清洗，然后于60～80℃烘箱中干燥12～24h，得到粉末固体；
1e)将步骤1d)得到的所述粉末固体在马弗炉中进行退火处理，将粉末固体加热至500～800℃保温1～3h，自然降温至室温，得到所述的介孔氧化镍纳米花材料。
3.根据权利要求2所述的用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极的制备方法，其特征在于：步骤1e)中，马弗炉的升温速率为2～5℃/min。
4.根据权利要求1至3任一所述的用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极的制备方法，其特征在于，步骤2)具体包括以下步骤：
2a)将每5mg步骤1)得到的所述介孔氧化镍纳米花材料以及10μL的Nafion溶液，添加到490μL乙醇和500μL的H2O的混合液中，超声分散均匀，得到催化剂涂覆液，Nafion溶液的浓度为4～6wt％；
2b)将每20μL催化剂涂覆液滴涂在面积为1×1cm2的碳纸上，并在40～50℃下干燥；
2c)重复步骤2b)，直至碳纸上催化剂的负载量达到0.3mg/cm2以上，得到所述用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极。
5.一种根据权利要求1至4任一所述的制备方法制备得到的用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极。
6.根据权利要求5所述的用于氮气电化学还原合成氨的介孔氧化镍纳米花电极，其特征在于：所述的介孔氧化镍纳米花材料的纳米片的厚度为12.4～50nm，其中，介孔的主孔径为9.5～15nm。
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