CN113908870A - 双功能非贵金属氮化物催化剂的可控制备和大电流电解尿素制氢应用 - Google Patents
双功能非贵金属氮化物催化剂的可控制备和大电流电解尿素制氢应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113908870A CN113908870A CN202010578768.2A CN202010578768A CN113908870A CN 113908870 A CN113908870 A CN 113908870A CN 202010578768 A CN202010578768 A CN 202010578768A CN 113908870 A CN113908870 A CN 113908870A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- catalyst
- metal nitride
- noble metal
- urea
- hydrogen production
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims abstract description 57
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 38
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 38
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 title claims abstract description 38
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 38
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 38
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims abstract description 23
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 21
- 230000001588 bifunctional effect Effects 0.000 title claims abstract description 18
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 title claims description 12
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 42
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 19
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 18
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 15
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910003218 Ni3N Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 238000011160 research Methods 0.000 claims abstract description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 6
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- DMTIXTXDJGWVCO-UHFFFAOYSA-N iron(2+) nickel(2+) oxygen(2-) Chemical compound [O--].[O--].[Fe++].[Ni++] DMTIXTXDJGWVCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 4
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 9
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 abstract description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 abstract description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- ZGDWHDKHJKZZIQ-UHFFFAOYSA-N cobalt nickel Chemical compound [Co].[Ni].[Ni].[Ni] ZGDWHDKHJKZZIQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 20
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 13
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 8
- VCJMYUPGQJHHFU-UHFFFAOYSA-N iron(3+);trinitrate Chemical compound [Fe+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O VCJMYUPGQJHHFU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 3
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 2
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 229910000863 Ferronickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N iridium(IV) oxide Inorganic materials O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052752 metalloid Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002738 metalloids Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000011943 nanocatalyst Substances 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 1
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J27/00—Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
- B01J27/24—Nitrogen compounds
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
- B01J35/33—Electric or magnetic properties
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/60—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
- B01J35/61—Surface area
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于廉价的双功能非贵金属氮化物纳米多孔异质结的可控制备和大电流电解尿素制氢研究,属于电催化材料制氢与燃料电池研究领域。本发明技术方案要点:以Fe(NO3)3·9H2O和乙醇的混合溶液作为前驱体,对商用泡沫金属基底(泡沫镍、钴、钴镍或铁等)进行表面修饰,然后通过高温氮化处理得到NixFeN/Ni3N(x=1,3)纳米异质结催化剂。这种独特的异质结催化剂得益于金属氮化物的金属性、三维纳米多孔结构、以及不同氮化物之间的强化学键作用等,在碱性环境、大电流密度500 mA/cm2的电催化析氧和尿素氧化的过电位只需293和162 mV。该电催化剂材料在氢能源与燃料电池的绿色制备上具有广阔的应用前景,可实现高效、大电流稳定产氢与尿素污染处理,推动氢能产业发展。
Description
技术领域
本发明电催化材料用于电解水制氢与燃料电池研究领域,具体涉及一种双功能非贵金属氮化物纳米多孔催化剂的可控制备和大电流电解尿素制氢研究,以实现在大电流下进行高效的电解水制氢反应,大幅降低碱性电解水过程的能耗,实现大电流高效产氢。
背景技术
能源是人类生存和发展的重要物质基础,在衣食住行、社会经济发展等方面具有决定性作用。然而,化石燃料的过度消耗和随之而来的环境污染问题迫使人们寻找、开发储量丰富的可再生清洁能源。氢能作为清洁、可持续、热值高、高能量密度的能源载体,易于存储和转换,在宇宙中含量丰富,且无污染、零排放,被认为是未来替代化石燃料的理想能源,有望在我国未来的能源结构布局中发挥至关重要的作用。因此,实现氢气的宏量化生产是促进氢能应用的重要前提。在众多的制氢工艺中,电解水制氢技术可由风、水、光等可再生能源电力驱动水分解制取氢气,缓解弃风、弃水、弃光等“三弃”问题,因而得到广大学者的关注。但作为电解水的其中一个半反应阳极析氧反应(OER),其复杂的四电子转移过程导致迟缓的反应动力学,需要相当大的过电位匹配制氢速率,成为电解水反应整体效率的瓶颈,极大地限制了制氢效率和能量转换效率。这促使我们探索低成本、高活性和高稳定性的非贵金属析氧催化剂替代价格昂贵的Ru、Ir等商用催化剂来促进OER反应,或者挑选新的低过电位的阳极反应来匹配阴极析氢反应,以实现高效的电解水制氢反应。尿素来源广泛、无污染、催化理论操作电压低(0.37 V)等优势,这使尿素燃料成为氢燃料和水裂解系统的理想替代品,既可以实现污染物处理的功能又可以实现高效制氢,降低水分解过程的能耗。然而,尿素氧化性能受限于6电子转移,且许多尿素氧化的催化剂在碱性环境很不稳定,只能稳定工作不到1小时。考虑到潜在的工业应用,我们亟需研发出能够兼具优异的电催化析氧、尿素氧化(UOR)性能且在大电流稳定的双功能非贵金属催化剂,从而根据需要选择合适的阳极反应来匹配阴极析氢反应,并且高性能的电催化析氧和尿素氧化催化剂在解决环境污染、温室效应和能源短缺等方面有广泛的应用。很遗憾的是,目前这种双功能非贵金属催化剂还未见报道,大部分催化剂都表现出优异的尿素氧化性能,但极不稳定。因此,我们需要开发高效、廉价的阳极材料与其他高性能的析氢催化剂一起构建不对称的两电极水分解器件,促进高效制氢。为此,在该专利中,我们通过在商用泡沫镍上设计高性能的双非贵金属氮化物纳米多孔分级结构,同时实现高效的析氧和尿素氧化催化性能,以期降低电解水反应的电能消耗,致力于实现大电流稳定产氢和减少尿素污染, 推动氢能源产业发展。
发明内容
本发明旨在提供一种双功能非贵金属氮化物纳米多孔催化剂应用于大电流电解尿素制氢。通过室温腐蚀以及化学气相沉积法得到的金属氮化物异质结催化剂在碱性环境中表现出优异的OER和UOR反应活性。例如,NiXFeN /Ni3N(x = 1,3)异质结仅需要293和162mV 的过电位就能驱动大电流密度500 mA/cm2析氧和尿素氧化催化性能,且在大电流处有优异的稳定性,而在国际上对既能高效析氧又能高效尿素氧化且大电流稳定的双功能催化剂报道甚少,其中UOR的过电位相对OER反应降低了约130 mV,这对提高电解水制氢反应的能量效率至关重要。
这类非贵金属催化剂的的制备方法包括以下步骤:
步骤1:裁剪泡沫基底,裁剪面积为12 mm长*6 mm宽。
步骤2:清洗泡沫金属基底,清洗清洗步骤如下:将衬底材料泡沫基底分别浸泡在3M盐酸中、无水乙醇、去离子水超声洗涤10分钟,清洗完毕。
步骤3:制备镍铁氧化物前驱体,方法如下:将0.5 g Fe(NO3)3 · 9H2O充分溶解于5 mL 酒精溶液中作为前驱体溶液,用来修饰步骤2的泡沫基底,后放在空气中自然晾干。步骤4:将步骤3得到的镍铁氧化物前驱体放在管式炉温区中心进行热氮处理,以100 sccm氨气为氮源,惰性气体氩气作为保护气体,将管式炉中心温度设置为400 ℃恒温2 h,升温速率为3 ℃/min,即可得到一次氮化Ni3FeN/Ni3N异质结催化剂。
步骤5 :将步骤4中的Ni3FeN/Ni3N异质结催化剂浸泡在步骤3中的前驱体溶液2-3s,在室温条件下晾干,重复步骤4,得到最终的NiXFeN /Ni3N(x = 1,3) 纳米异质结催化剂。
本发明与现有的电催化剂材料相比有以下不同特点:
1. 本发明合成了一种基于泡沫金属基底的双功能非贵金属氮化物纳米多孔异质结催化剂,制备工艺简单、操作条件温和和氮化过程易于控制和重复。
2. 本发明的电催化剂材料NiXFeN /Ni3N(x = 1,3) 纳米异质结催化剂的优点是,采用化学气相沉积法制备出高比表面积的金属氮化物,其具有特殊的电子结构和类金属性质,在电子传导方面具有优异的能力,且得益于该纳米催化剂材料的三维介孔结构、NiFeN与Ni3N之间的强化学键作用以及催化剂本身的高导电性,NiXFeN /Ni3N(x = 1,3) 表现出优异的OER和UOR催化活性。在碱性环境下,仅需293 和162 mV的底过电位就能驱动500mA/cm2电流密度,与商用IrO2相比,该催化剂表现出优异的催化活性。
3. 本发明的电催化剂材料NiXFeN /Ni3N(x = 1,3)纳米异质结催化剂的优点是,该催化剂除了既能高效析氧又能高效尿素氧化外,重要的是能够在大电流保持优异的稳定性和非常强的抗腐蚀能力,这在国际甚少报道。
附图说明 图1为本发明实施例1中最初以及1000个循环后中电催化剂材料NiXFeN/Ni3N(x = 1,3)在碱性1 M KOH溶液中的电流-电位极化曲线图。 图2为本发明实施例1中的电催化剂材料进行电催化析氧反应的稳定性测试。 图3为本发明实施例2中最初以及1000个循环后中电催化剂材料NiXFeN /Ni3N(x = 1,3)在1 M KOH+ 0.5 M 尿素溶液中CV的电流-电位极化曲线图。 图4为本发明实施例2中的催化剂材料在大电流1000 mA/cm2进行电催化尿素氧化反应的稳定性测试。 图5为本发明实施例1,2中的催化剂材料反应前的SEM图。 图6为本发明实施例1,2中的催化剂材料反应前的XRD图。 图7为本发明实施例3中不同浓度的硝酸铁溶液前驱体所合成的析氧催化剂催化活性对比。 图8为本发明实施例3中不同浓度的硝酸铁溶液前驱体所合成的金属氮化物催化剂进行尿素氧化反应的催化活性比较。
具体实施方式 为了更好地了解该专利的实质,以下将对本发明的上述内容做进一步的阐明,但是不应该以此来理解本发明的主要适用范围仅限于以下的实例,凡基于本发明以上实现的技术均属于本发明的范围。 一种双功能非贵金属氮化物纳米多孔催化剂应用于大电流电解水析氧和尿素氧化反应的实例如下。 实施例1 NiXFeN /Ni3N(x = 1,3)纳米异质结催化剂的制备及其应用于1M KOH环境的电催化析氧反应。 步骤1:制备镍铁氧化物前驱体,方法如下:将0.5 g Fe(NO3)3 · 9H2O充分溶解于5 mL 酒精溶液中作为前驱体溶液,用来修饰干净的泡沫金属基底,后放在空气中自然晾干。 步骤2:将修饰后的泡沫基底放在管式炉温区中心进行氮化处理,以惰性气体氩气作为保护气体,以100 sccm氨气为氮源,将管式炉中心温度设置为400 ℃ 恒温2 h,升温速率为3 ℃/min,即可得到一次氮化的Ni3FeN/Ni3N纳米异质结催化剂。 步骤3 :将步骤2中的氮化物样品继续浸泡上述的硝酸铁溶液2-3 s,在室温条件下晾干,重复步骤2,得到最终的NiXFeN /Ni3N(x = 1,3)纳米异质结催化剂。 电催化析氧性能主要使用美国知名品牌GAMRY Refrence 30000 或600+电化学工作站,采用标准的三电极体系(工作电极、对电极、参比电极)进行测试。其中NiXFeN /Ni3N(x = 1,3)纳米异质结催化剂作为工作电极,Hg/HgO电极为参比电极,铂丝为对电极,以1 M KOH溶液为电解质溶液,电化学测试的结果如图1、图2 和图7所示。 实施例2 NiXFeN/Ni3N(x = 1,3)纳米异质结催化剂的制备以及在1 M KOH + 0.5 M urea环境下的电催化尿素氧化性能测试。 纳米异质结催化剂的制备过程如同实例1。 电化学尿素氧化性能主要使用美国品牌GAMRY Reference 3000或600+电化学工作站,采用标准的三电极体系进行测试,其中 NiXFeN /Ni3N(x = 1,3)纳米异质结催化剂为工作电极,Hg/HgO电极为参比电极,铂丝为对电极,电解液主要是1 M KOH + 0.5 M urea溶液。尿素氧化的测试结果如图3、图4和图8所示,相应的纳米异质结催化剂的表面形貌如图5 所示,表征晶体结构和组分的X射线衍射图如图6所示。 实施例3 NiXFeN /Ni3N(x = 1,3)纳米异质结催化剂在不同硝酸铁浓度下的制备及其应用于电催化析氧和尿素氧化反应。 步骤1:制备镍铁氧化物前驱体,其方法如下,分别以0.75 g、0.5 g、0.4 g Fe(NO3)3 · 9H2O充分溶于5 mL 乙醇中配比不同浓度沉底液,修饰洁净的泡沫镍基底,然后放在空气中自然晾干。重复实例1的材料生长流程,最终得到 NiXFeN /Ni3N(x = 1,3)纳米异质结催化剂。 电催化析氧性能的测试设备采用美国知名品牌GAMRY Reference 3000 或600+电化学工作站,采用标准的三电极装置进行测试。其中 NiXFeN /Ni3N(x = 1,3)纳米异质结催化剂为工作电极,进口的Hg/HgO电极为参比电极,铂丝为对电极,分别在1 M KOH和1 M KOH + 0.5 M urea电解液中测试相应的催化析氧和尿素氧化性能,测试结果如图7、8所示。以上实例描述了本发明的基本制备工艺以及催化剂的主要应用范围(电解水制氢),本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理以及制备过程,在不脱离本发明原理的范围内,本发明还会有各种各样变化以及改进,这些变化以及改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (6)
1.本专利以双非贵金属氮化物纳米多孔分级结构催化剂为例来阐述廉价高效电催化材料的制备及其双功能电催化特性(电解水析氧与尿素氧化)的研究;一种应用于大电流电解尿素制氢研究的双功能非贵金属氮化物催化剂的的制备方法如下: 步骤1:首先将适当比例的Fe(NO3)3 · 9H2O 溶于5 mL 酒精中作为前驱体溶液,用以修饰预先用浓盐酸、酒精和去离子水超声清洗的泡沫镍基底,然后将样品放置在空气中自然晾干,即可得到镍铁氧化物前驱体; 步骤2:将镍铁氧化物前驱体放在管式炉温区中心进行热氮处理,以氨气为氮源,惰性气体氩气作为保护气体,将管式炉中心温度设置为400 ℃恒温2 h,即可得到一次氮化Ni3FeN/Ni3N异质结催化剂; 步骤3:Ni3FeN/Ni3N异质结催化剂再次浸泡在前驱体溶液数秒,在室温条件下晾干,重复步骤2的操作,得到最终的NixFeN/Ni3N(x = 1,3)异质结催化剂。
2.如权利要求1 所述的一种应用于大电流电解尿素制氢的双功能非贵金属氮化物催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤1“先将适当比例的Fe(NO3)3 · 9H2O 溶于5 mL 酒精中作为前驱体溶液”中的Fe(NO3)3 · 9H2O的量可为0.4 g、0.5 g 和0.75 g。
3.如权利要求1所述的一种应用于大电流电解尿素制氢的的双功能非贵金属氮化物催化剂的制备方法,其特征在于,步骤1泡沫镍基底经过的清洁处理为:将泡沫基底浸泡在3 M盐酸中,超声洗涤10分钟,目的是去掉泡沫基底表面可能存在的氧化物;接着用酒精超声洗涤10分钟,目的是溶解泡沫镍基底表面的其他杂质;最后用去离子水超声洗涤10分钟,清洗完毕。
4.如权利要求1所述的一种应用于大电流电解尿素制氢的的双功能非贵金属氮化物催化剂的制备方法,其特征在于,步骤2中将以氨气为氮源,惰性气体氩气作为保护气体,其特征在于,氨气气流为100 sccm,氩气气流为10 sccm。
5.如权利要求1所述的一种应用于大电流电解尿素制氢的双功能非贵金属氮化物催化剂的制备方法,其特征在于,步骤2“将管式炉中心温度设置为400 ℃恒温2 h”,要求升温速率为3 ℃/min。
6.如权利要求1所述的一种应用于大电流电解尿素制氢的双功能非贵金属氮化物催化剂的制备方法,其特征在于,步骤3中将“步骤2中的Ni3FeN/Ni3N异质结催化剂再次浸泡在前驱体溶液数秒”,其特征在于,前驱体溶液的配比方式为0.5 g Fe(NO3)3 · 9H2O 充分溶解在5 mL酒精溶液中,浸泡在前驱体溶液中的时间为2-3s。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010578768.2A CN113908870B (zh) | 2020-06-23 | 2020-06-23 | 双功能非贵金属氮化物催化剂的可控制备和大电流电解尿素制氢应用 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010578768.2A CN113908870B (zh) | 2020-06-23 | 2020-06-23 | 双功能非贵金属氮化物催化剂的可控制备和大电流电解尿素制氢应用 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113908870A true CN113908870A (zh) | 2022-01-11 |
CN113908870B CN113908870B (zh) | 2023-09-26 |
Family
ID=79231281
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202010578768.2A Active CN113908870B (zh) | 2020-06-23 | 2020-06-23 | 双功能非贵金属氮化物催化剂的可控制备和大电流电解尿素制氢应用 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113908870B (zh) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114808012A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-07-29 | 湖南师范大学 | 一种磷化物/二元金属氮化物纳米多孔异质结电催化剂及其制备方法和应用 |
CN114892206A (zh) * | 2022-04-21 | 2022-08-12 | 湖南师范大学 | 一种多元金属氮化物异质结纳米棒阵列复合电催化剂及其制备方法和应用 |
CN114950527A (zh) * | 2022-05-31 | 2022-08-30 | 安徽大学 | 一种用于偶氮苯类化合物合成的催化剂 |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20140045081A1 (en) * | 2012-08-10 | 2014-02-13 | Ph Matter, Llc | Bifunctional electrode design and method of forming same |
CN105148971A (zh) * | 2015-08-26 | 2015-12-16 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种高性能电化学全分解水产氢产氧的超薄氮化物电催化剂及其合成方法与应用 |
CN107159293A (zh) * | 2017-05-12 | 2017-09-15 | 华南理工大学 | 一种NiFe3N/NF电化学催化剂及其制备方法与应用 |
CN108193227A (zh) * | 2016-12-08 | 2018-06-22 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 镍铁水滑石基电催化析氧电极及其制备及应用 |
CN110197909A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-09-03 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 镍铁催化材料、其制备方法及在电解水制氢气、制备液态太阳燃料中的应用 |
CN110201670A (zh) * | 2019-05-21 | 2019-09-06 | 山东大学 | 基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂、其制备方法及应用 |
CN110846678A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-02-28 | 仰恩大学 | 一种泡沫镍负载作尿素电解辅助制氢双功能催化剂电极 |
CN110965076A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-04-07 | 吉林大学 | 一种双功能三维分层核壳结构电解水电极的制备方法 |
-
2020
- 2020-06-23 CN CN202010578768.2A patent/CN113908870B/zh active Active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20140045081A1 (en) * | 2012-08-10 | 2014-02-13 | Ph Matter, Llc | Bifunctional electrode design and method of forming same |
CN105148971A (zh) * | 2015-08-26 | 2015-12-16 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种高性能电化学全分解水产氢产氧的超薄氮化物电催化剂及其合成方法与应用 |
CN108193227A (zh) * | 2016-12-08 | 2018-06-22 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 镍铁水滑石基电催化析氧电极及其制备及应用 |
CN107159293A (zh) * | 2017-05-12 | 2017-09-15 | 华南理工大学 | 一种NiFe3N/NF电化学催化剂及其制备方法与应用 |
CN110201670A (zh) * | 2019-05-21 | 2019-09-06 | 山东大学 | 基于三氯化铁/尿素低共熔溶剂的镍铁双金属氢氧化物/泡沫镍催化剂、其制备方法及应用 |
CN110197909A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-09-03 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 镍铁催化材料、其制备方法及在电解水制氢气、制备液态太阳燃料中的应用 |
CN110846678A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-02-28 | 仰恩大学 | 一种泡沫镍负载作尿素电解辅助制氢双功能催化剂电极 |
CN110965076A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-04-07 | 吉林大学 | 一种双功能三维分层核壳结构电解水电极的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
BO ZHANG等: "Iron−Nickel Nitride Nanostructures in Situ Grown on Surface-Redox-Etching Nickel Foam: Efficient and Ultrasustainable Electrocatalysts for Overall Water Splitting", 《CHEMISTRY OF MATERIALS》 * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114808012A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-07-29 | 湖南师范大学 | 一种磷化物/二元金属氮化物纳米多孔异质结电催化剂及其制备方法和应用 |
CN114808012B (zh) * | 2022-04-19 | 2023-12-22 | 湖南师范大学 | 一种磷化物/二元金属氮化物纳米多孔异质结电催化剂及其制备方法和应用 |
CN114892206A (zh) * | 2022-04-21 | 2022-08-12 | 湖南师范大学 | 一种多元金属氮化物异质结纳米棒阵列复合电催化剂及其制备方法和应用 |
CN114892206B (zh) * | 2022-04-21 | 2024-03-26 | 湖南师范大学 | 一种多元金属氮化物异质结纳米棒阵列复合电催化剂及其制备方法和应用 |
CN114950527A (zh) * | 2022-05-31 | 2022-08-30 | 安徽大学 | 一种用于偶氮苯类化合物合成的催化剂 |
CN114950527B (zh) * | 2022-05-31 | 2023-09-08 | 安徽大学 | 一种用于偶氮苯类化合物合成的催化剂 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN113908870B (zh) | 2023-09-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN113908870B (zh) | 双功能非贵金属氮化物催化剂的可控制备和大电流电解尿素制氢应用 | |
CN111636074B (zh) | 一种二氧化碳电化学还原用铜电极的制备及其应用 | |
CN110846680B (zh) | 一种多缺陷和活性位点的电催化剂的制备方法 | |
CN113652707B (zh) | 一种碲化镍析氢催化剂及其制备方法与应用 | |
CN109908905B (zh) | 一种制备金属/金属氧化物复合电催化剂的方法 | |
CN110306204B (zh) | 一种掺杂银的层状氢氧化镍复合电极材料及其制备方法与应用 | |
CN110624573A (zh) | 一种镍掺杂硒化钴电催化析氢催化剂及其制备方法 | |
CN113718278A (zh) | 一种基于过渡金属磷/氮化物异质结催化剂的制备方法及高效电解水析氢研究 | |
CN111686743A (zh) | 一种La/NF析氢材料及其制备方法与应用 | |
CN112058282A (zh) | 一种基于钼、钨基层状材料pH广适催化剂的制备方法及其应用于电解水析氢反应 | |
CN113856711A (zh) | 高效镍钴磷化物异质结催化剂的设计合成和电解水析氢研究 | |
JP2020059917A (ja) | 水分解酸素発生用の四酸化三コバルトアレイ/チタンメッシュ電極及びその製造方法 | |
CN111229267B (zh) | 负载型磷掺杂金属羟基氧化物纳米片材料及其制备方法和应用 | |
CN114016050A (zh) | 一种铁钼掺杂硫化镍/泡沫镍电极及其制备方法与应用 | |
CN111203206A (zh) | 一种CeO2基电催化产氧催化剂及其制备方法和应用 | |
CN113512738B (zh) | 三元铁镍钼基复合材料电解水催化剂、其制备方法和应用 | |
CN114150341A (zh) | 一种过渡金属硒化物电催化材料及其制备方法与应用 | |
CN113275027A (zh) | 一种生长在泡沫镍上以普鲁士蓝类似物为模板衍生的双金属磷化物的制备及应用 | |
CN113652699A (zh) | 一种提高石墨烯电催化制氢活性的方法 | |
CN116876019A (zh) | 一种用于电解氨制氢的高效双功能电催化剂及其制备方法 | |
CN105047884A (zh) | 三维析氧电极阳极材料及其制备方法和应用 | |
CN115287691A (zh) | CeO2/NiS异质结构催化剂的制备方法及其应用 | |
CN111573788B (zh) | 双金属磷化物电极材料及其制备方法和应用 | |
CN114892206A (zh) | 一种多元金属氮化物异质结纳米棒阵列复合电催化剂及其制备方法和应用 | |
CN112023959A (zh) | 一种相结型NiP2电催化剂及其制备方法和应用 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |