CN114388830A - 一种电催化尿素氧化用催化剂及碱性体系直接尿素燃料电池 - Google Patents

一种电催化尿素氧化用催化剂及碱性体系直接尿素燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池的技术领域，具体的涉及一种电催化尿素氧化用催化剂及碱性体系直接尿素燃料电池。所述电催化尿素氧化用催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)制备混合凝胶；(2)制备铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料；(3)制备铑纳米颗粒掺杂的氧化镍纳米片。该催化剂具有较高的催化活性和导电性，将该催化剂用作碱性体系直接尿素燃料电池的阳极催化剂，其碱性体系直接尿素燃料电池表现出优异的电化学反应活性。

Description

一种电催化尿素氧化用催化剂及碱性体系直接尿素燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池的技术领域，具体的涉及一种电催化尿素氧化用催化剂及碱性体系直接尿素燃料电池。
背景技术
随着社会经济的快速发展，人们对能源的需求日益增多，而伴随着能源尤其化石能源的不断消耗，能源危机越来越严重；与此同时，化石能源的使用对环境所造成的污染问题也不容忽视。因此近年来人们研究如何通过寻找可持续的新型洁净能源，以解决目前所面临的能源与环境问题，其中电催化技术因其效率高、设备简单易操作等优点而备受关注。
在电催化领域，基于尿素氧化(UOR)的尿素燃料电池在可持续能源发展方面具有广阔的应用前景。尿素燃料电池的原料尿素作为主要污染物广泛存在于人类和动物尿液以及工业废水中，电催化尿素氧化技术可用于处理富尿素污水，且此过程不会造成其他污染，在环境治理领域具有一定的应用前景。
基于尿素氧化(UOR)的尿素燃料电池如何高效电催化尿素氧化，催化剂起到重要作用。相对于传统的贵金属基电催化剂，镍基氧化物/氢氧化物因其储量丰富，价格相对较低，出色的UOR活性等优势得到了广泛关注。然而该类材料通常具有过电位较高、电流密度小以及动力学迟缓等不足，限制了其进一步的发展和应用。此外，传统的镍基催化剂合成步骤复杂，形貌不均一，极易在电催化反应过程中发生团聚，上述缺陷直接影响其尿素氧化的电催化活性。因此亟需一种新型催化剂以提高尿素燃料电池的电催化尿素氧化效率。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种电催化尿素氧化用催化剂及碱性体系直接尿素燃料电池。该催化剂具有较高的催化活性和导电性，将该催化剂用作碱性体系直接尿素燃料电池的阳极催化剂，其碱性体系直接尿素燃料电池表现出优异的电化学反应活性。
本发明的技术方案为：一种电催化尿素氧化用催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备混合凝胶：首先将氯化镍、氯化铑和镍氰化钾溶解于去离子水中搅拌均匀得到混合溶液；然后在20～40℃下恒温静置3～12h，得到棕色混合水凝胶；
(2)制备铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料：将还原剂NaBH4溶液倒入步骤(1)所得混合水凝胶中在60～80℃恒温下进行水热还原反应，还原反应时间为3～12h，待反应结束冷却至室温，离心、洗涤后得到黑色铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料；
(3)制备铑纳米颗粒掺杂的氧化镍纳米片：将步骤(2)制得的铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料置于管式炉中，在280～380℃下进行退火处理3～5小时后自然冷却至室温，即得铑纳米颗粒掺杂的氧化镍纳米片。
所述电催化尿素氧化用催化剂的制备方法步骤(1)中按照摩尔比氯化镍：氯化铑：镍氰化钾为0.001～2：2～0.001：1；去离子水为1～100mL。
所述电催化尿素氧化用催化剂的制备方法步骤(2)中NaBH4溶液浓度为0.05～1g/mL，用量为60～200mL。
所述电催化尿素氧化用催化剂的制备方法步骤(3)中管式炉以1～5℃/min的升温速率升温至280～380℃。
一种所述制备方法制得的电催化尿素氧化用催化剂，其呈片层状，其中铑纳米颗粒的尺寸为3～5nm。
所述催化剂在碱性体系直接尿素燃料电池阳极催化中的应用。
一种碱性体系直接尿素燃料电池，其阳极涂覆有所述催化剂。
本发明的有益效果为：本发明所述电催化尿素氧化用催化剂的制备采用全新的混合氰基凝胶法制得混合水凝胶，仅通过一步还原和高温处理便得到铑纳米颗粒掺杂的氧化镍纳米片。
通过铑纳米颗粒的掺杂调控催化剂主体镍的电子结构，提高了催化剂的催化活性和导电性，从而表现出优异的电化学反应活性。
本发明的所述催化剂的制备方法操作简单，因所述制备方法为一步法还原，所需设计的实验步骤较少，需要控制的参数很少，且使用的设备简单，并不涉及高温高压以及气氛处理，参数简单，所以制备过程可控性强，同时制备的电催化尿素氧化用催化剂相比单纯氧化镍，具有较高的催化活性和导电性，电化学活性显著提升。将该催化剂用作碱性体系直接尿素燃料电池的阳极催化剂，其碱性体系直接尿素燃料电池表现出优异的电化学反应活性。
附图说明
图1a为实施例1制得的电催化尿素氧化用催化剂SEM图。
图1b为对比例1制得的电催化剂的SEM图。
图2为实施例1制得的电催化尿素氧化用催化剂的TEM图。
图3为实施例1制得的电催化尿素氧化用催化剂和对比例1制得的电催化剂用于碱性体系直接尿素燃料电池阳极，在1mol/L KOH+0.33mol/L尿素的电解液中的LSV扫描图。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
实施例1
所述电催化尿素氧化用催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备混合凝胶：首先将1.9mmol氯化镍、0.1mmol氯化铑和1mmol镍氰化钾溶解于2mL去离子水中搅拌均匀得到混合溶液；然后在25℃下恒温静置3h，得到棕色混合水凝胶；
(2)制备铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料：将100mL浓度为1g/mL的还原剂NaBH4溶液倒入步骤(1)所得混合水凝胶中在60℃恒温下进行水热还原反应，还原反应时间为8h，待反应结束冷却至室温，离心、洗涤后得到黑色铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料；
(3)制备铑纳米颗粒掺杂的氧化镍纳米片：将步骤(2)制得的铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料置于管式炉中，在300℃下进行退火处理3小时后自然冷却至室温，即得铑纳米颗粒掺杂的氧化镍纳米片。
将制备所得催化剂分散于水和异丙醇中，得到电催化剂分散液，用作碱性体系直接尿素燃料电池阳极材料。
由图2可以看出，铑纳米颗粒的尺寸仅为3～5nm，如此小的团簇极大提高了贵金属的利用效率，同时可以通过表面修饰改善NiO固有的导电性差的缺陷。
实施例2
所述电催化尿素氧化用催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备混合凝胶：首先将0.9mmol氯化镍、0.1mmol氯化铑和0.5mmol镍氰化钾溶解于1mL去离子水中搅拌均匀得到混合溶液；然后在25℃下恒温静置6h，得到棕色混合水凝胶；
(2)制备铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料：将60mL浓度为1g/mL的还原剂NaBH4溶液倒入步骤(1)所得混合水凝胶中在60℃恒温下进行水热还原反应，还原反应时间为5h，待反应结束冷却至室温，离心、洗涤后得到黑色铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料；
(3)制备铑纳米颗粒掺杂的氧化镍纳米片：将步骤(2)制得的铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料置于管式炉中，在300℃下进行退火处理4小时后自然冷却至室温，即得铑纳米颗粒掺杂的氧化镍纳米片。
将制备所得催化剂分散于水和异丙醇中，得到电催化剂分散液，用作碱性体系直接尿素燃料电池阳极材料。
实施例3
所述电催化尿素氧化用催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备混合凝胶：首先将1.5mmol氯化镍、0.5mmol氯化铑和1mmol镍氰化钾溶解于2mL去离子水中搅拌均匀得到混合溶液；然后在25℃下恒温静置5h，得到棕色混合水凝胶；
(2)制备铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料：将200mL浓度为1g/mL的还原剂NaBH4溶液倒入步骤(1)所得混合水凝胶中在60℃恒温下进行水热还原反应，还原反应时间为10h，待反应结束冷却至室温，离心、洗涤后得到黑色铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料；
(3)制备铑纳米颗粒掺杂的氧化镍纳米片：将步骤(2)制得的铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料置于管式炉中，在300℃下进行退火处理3小时后自然冷却至室温，即得铑纳米颗粒掺杂的氧化镍纳米片。
将制备所得催化剂分散于水和异丙醇中，得到电催化剂分散液，用作碱性体系直接尿素燃料电池阳极材料。
对比例1
该电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备水凝胶：首先将2.0mmol氯化镍和1mmol镍氰化钾溶解于2mL去离子水中搅拌均匀得到混合溶液；然后在25℃下恒温静置3h，得到棕色混合水凝胶；
(2)制备氢氧化镍纳米片：将100mL浓度为1g/mL的还原剂NaBH4溶液倒入步骤(1)所得水凝胶中在60℃恒温下进行水热还原反应，还原反应时间为8h，待反应结束冷却至室温，离心、洗涤后得到氢氧化镍纳米片；
(3)制备氧化镍纳米片：将步骤(2)制得的氢氧化镍纳米片置于管式炉中，在300℃下进行退火处理3小时后自然冷却至室温，即得氧化镍纳米片。
将其分散在水和异丙醇中，得到电催化剂分散液，用作碱性体系直接尿素燃料电池阳极材料。
通过图1a和图1b可以看出，实施例1所述制备方法制得的电催化尿素氧化用催化剂与对比例1所得电催化剂具有同样的片层状形貌，从而说明本发明所述的一步法掺杂铑纳米颗粒不会影响氧化镍的片层结构。
图3可以看出，当引入铑贵金属后，得益于原子间的协同作用，NiO对尿素的电催化氧化作用得到了显著的增长。

Claims (7)

1.一种电催化尿素氧化用催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备混合凝胶：首先将氯化镍、氯化铑和镍氰化钾溶解于去离子水中搅拌均匀得到混合溶液；然后在20～40℃下恒温静置3～12h，得到棕色混合水凝胶；
(2)制备铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料：将还原剂NaBH4溶液倒入步骤(1)所得混合水凝胶中在60～80℃恒温下进行水热还原反应，还原反应时间为3～12h，待反应结束冷却至室温，离心、洗涤后得到黑色铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料；
(3)制备铑纳米颗粒掺杂的氧化镍纳米片：将步骤(2)制得的铑纳米颗粒掺杂的氢氧化镍复合材料置于管式炉中，在280～380℃下进行退火处理3～5小时后自然冷却至室温，即得铑纳米颗粒掺杂的氧化镍纳米片。
2.根据权利要求1所述电催化尿素氧化用催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中按照摩尔比氯化镍：氯化铑：镍氰化钾为0.001～2：2～0.001：1；去离子水为1～100mL。
3.根据权利要求1所述电催化尿素氧化用催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中NaBH4溶液浓度为0.05～1g/mL，用量为60～200mL。
4.根据权利要求1所述电催化尿素氧化用催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中管式炉以1～5℃/min的升温速率升温至280～380℃。
5.一种权利要求1-4所述制备方法制得的电催化尿素氧化用催化剂，其特征在于，该催化剂呈片层状，其中铑纳米颗粒的尺寸为3～5nm。
6.权利要求5所述催化剂在碱性体系直接尿素燃料电池阳极催化中的应用。
7.一种碱性体系直接尿素燃料电池，其特征在于，该燃料电池的阳极涂覆有所述催化剂。
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