CN114875441A - 一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂、其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂、其制备方法和应用，所述催化剂的制备方法是：以间苯二酚和甲醛为反应原料，以水为溶剂，将间苯二酚、甲醛和去离子水均匀混合后置于油浴锅的加热环境中凝胶老化，得到的粘稠状湿凝胶进行溶剂交换得到水凝胶，对其碳化后得到载体碳气凝胶。用不同的镍盐作为镍原子的前驱体，在碳气凝胶中加入不同负载量的镍盐，并用不同的还原剂对其还原得到最终产物Ni/CXGs催化剂。本发明得到的Ni/CXGs催化剂用于电催化合成双氧水反应中具有很好的催化选择性和活性，本发明制备的催化剂具有较高的导电性率和电催化性能，在催化制备双氧水的反应中具有优异的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂、其制备方法和应用。
背景技术
双氧水(过氧化氢)是一种重要的化学物质，在工业、医药、环保、军工、食品和环境等领域有着广泛的应用。他既有氧化性又有还原性并且使用后无二次污染，被定义为绿色化工产品。目前工业上大规模生产双氧水的最成熟的方法是蒽醌法，但蒽醌法不仅步骤繁琐，还会用到一些有机溶剂，对环境造成二次污染，因此寻找一种绿色高效的方法生产双氧水迫在眉睫。
在电化学氧还原的反应(ORR)中，有两种反应途径：
O2+2H++2e-→H2O2 (1)
O2+4H++4e-→2H2O (2)
即反应转移4e-途径产生H2O(式1)和反应转移2e-途径产生H2O2(式2)，而催化剂的选择性是决定反应途径的关键因素之一。因此，选用一种合适的催化剂可以促进氧气还原反应的2e-途径，产生并积累大量H2O2，达到小规模高效绿色生产双氧水的目的。
目前电催化氧化还原反应的高效催化剂，大部分都是选择4e-途径；只有贵金属及其合金、单原子催化剂、碳基材料、金属配合物等可以催化选择2e-途径，却价格昂贵，并且要精确控制催化剂的结构等，制备条件苛刻。
碳气凝胶作为一种新型的碳材料，具有低密度，质量轻、比表面积大、孔隙率大、表面疏水、导电性较好等性质，但是用于电化学氧还原过程中催化活性没有很高，因此对碳气凝胶进行改性进而提高其对于二电子氧还原的选择性是非常有必要的。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂、其制备方法和应用，本发明利用碳气凝胶作为金属Ni的载体，在保持碳气凝胶的原有的优势上，用不同的Ni负载量和不同的还原剂来改进碳气凝胶之间的几何和电子效应，进而提高氧还原的电催化活性。所制备的金属Ni负载在碳气凝胶具有较好导电性和电催化性能，在制备双氧水中具有良好的应用前景。
所述的一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于包括以下步骤：以间苯二酚和甲醛为反应原料，以水为溶剂，将反应原料与溶剂混合后置于油浴锅的加热环境中凝胶老化，得到的粘稠状样品进行溶剂交换后到水凝胶，将水凝胶碳化处理后得到载体碳气凝胶作为载体；用镍盐作为镍原子的前驱体，将镍盐溶液和碳气凝胶按照一定的比例混合并充分搅拌使镍盐负载于碳气凝胶上，然后用还原剂对其还原，使镍盐转化为镍金属单质，得到最终产物负载金属Ni的碳气凝胶催化剂，即为Ni/CXGs催化剂。
所述的一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于具体包括以下步骤：
1)向烧杯中加入间苯二酚、甲醛溶液和去离子水并搅拌均匀，然后将烧杯转移至油浴锅中加热，使烧杯中反应液体系在加热下进行凝胶老化，控制凝胶老化过程中的加热温度和时间使形成湿凝胶；
2)步骤1)反应结束后，向合成的粘稠状湿凝胶中加入丙酮，静置下进行溶剂交换后干燥得到水凝胶；
3)将步骤2)得到的水凝胶转移到管式炉中于惰性气氛下进行高温碳化处理，冷却至室温得到载体碳干凝胶CXGs，将其研磨成粉末状备用；
4)向步骤3)所得碳干凝胶中加入镍盐，边搅拌边加入还原剂水溶液至还原剂水溶液没过碳干凝胶粉末，充分搅拌下镍盐负载于碳干凝胶上并被还原剂还原转化为镍金属单质，最后对反应后的样品进行离心、洗涤、干燥得到最终产物Ni/CXGs。
所述的一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于步骤1)中，甲醛溶液的质量浓度在30～40％，优选为37％；间苯二酚的质量与所述甲醛溶液的体积之比为1g：(1～3)mL，优选为1g：1.8～2mL；间苯二酚的质量与去离子水溶剂的体积之比是1g:(3～8)mL，优选为1g:4.5～5mL。
所述的一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于步骤1)中，油浴锅的加热温度为70℃～120℃，优选为90℃，凝胶老化时间在24～72h，优选48h。
所述的一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于步骤2)中，干燥的方式为常温干燥、真空干燥或冷冻干燥，优选为冷冻干燥。
所述的一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于步骤3)中，碳化温度为400～800℃，优选为600℃；碳化时间为2～5h，优选为3h，气氛为N2。
所述的一种一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于步骤4)中，前驱体镍盐为乙酸镍、氯化镍和硫酸镍中的至少一种，优选为氯化镍；碳干凝胶与镍盐的投料质量比为3～90:1，优选为6～9:1。
所述的一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于步骤4)中，还原剂为硼氢化钠、乙二胺和葡萄糖中的至少一种，优选硼氢化钠作为还原剂。
所述的负载金属Ni的碳气凝胶催化剂在电催化氧还原制备双氧水中的应用，其特征在于以电化学工作站作为电化学发生装置，采用三电极测量体系，将所述负载金属Ni的碳气凝胶催化剂涂覆在碳布或者旋转环盘电极的圆形玻碳区域上上作为工作电极，以铂丝作为对电极，饱和甘汞作为参比电极，以KOH水溶液作为电解液，并在电解液中持续通入氧气，进行电化学氧还原反应，生产双氧水产品；其中，KOH水溶液的浓度为0.05mol/L～0.2mol/L，优选为0.1mol/L。
相较于现有技术，本发明取得的有益效果是：
本发明通过在碳气凝胶中引入金属Ni原子，不仅增强了载体碳气凝胶的传质电子转移能力，同时Ni原子可以作为氧还原的活性位点进行反应，进而对于氧还原反应有较好的性能。
附图说明
图1为本发明实施例2中Ni-CXGs-2的SEM图；
图2为本发明实施例3中Ni-CXGs-3的SEM图；
图3为本发明实施例5中Ni-CXGs-5的SEM图；
图4为本发明实施例1-6制备的催化剂材料在氧还原反应中双氧水选择性与电压关系曲线图；
图5为本发明对比例1-3制备的催化剂材料在氧还原反应中双氧水选择性与电压关系曲线图；
图6为本发明对比例4-5制备的催化剂材料在氧还原反应中双氧水选择性与电压关系曲线图；
图7为本发明实施例1-3催化剂材料在氧还原反应中双氧水的产量与电解时间的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
碳气凝胶催化剂Ni-CXGs-1的制备，包括以下步骤：
称取质量2.20g的间苯二酚置于50mL的烧杯中，加入10.8mL的水室温下搅拌10min，搅拌转速为700rpm，用移液管取4mL的甲醛溶液(质量浓度37％)加入上述溶液中，搅拌10min，转速700rpm。然后将所得反应液体系转移至90℃油浴锅中，搅拌凝胶48h后，得到的粘稠状样品中加入15mL的丙酮静置6h进行溶剂交换，随后通过冷冻进行干燥，得到的湿凝胶在氮气的气氛以5℃/min的升温速率升温至600℃，然后在600℃下恒温煅烧3h，随后冷却至室温。将煅烧后的块状研磨成粉末状，称取1g碳气凝胶并加入11mg的氯化镍，边搅拌边加入硼氢化钠水溶液至没过粉末(混合液中硼氢化钠的质量是镍原子质量的10倍)，充分搅拌下氯化镍负载于碳干凝胶上并被还原转化为镍金属单质，随后将上述样品离心，清水洗涤、过滤干燥后得到最终产物Ni-CXGs-1。
实施例2
碳气凝胶催化剂Ni-CXGs-2的制备，包括以下步骤：
称取质量2.20g的间苯二酚置于50mL的烧杯中，加入10.8mL的水室温下搅拌10min，搅拌转速为700rpm，用移液管取4mL的甲醛溶液(质量浓度37％)加入上述溶液中，搅拌10min，转速700rpm。然后将所得反应液体系转移至90℃油浴锅中，搅拌凝胶48h后，得到的粘稠状样品中加入15mL的丙酮静置6h进行溶剂交换，随后通过冷冻进行干燥，得到的湿凝胶在氮气的气氛以5℃/min的升温速率升温至600℃，然后在600℃下恒温煅烧3h，随后冷却至室温。将煅烧后的块状研磨成粉末状，称取1g碳气凝胶并加入110mg的氯化镍，边搅拌边加入硼氢化钠水溶液至没过粉末(混合液中硼氢化钠的质量是镍原子质量的10倍)，充分搅拌下氯化镍负载于碳干凝胶上并被还原转化为镍金属单质，随后将上述样品离心，清水洗涤、过滤干燥后得到最终产物Ni-CXGs-2。其SEM图如图1所示。
实施例3
碳气凝胶催化剂Ni-CXGs-3的制备，包括以下步骤：
称取质量2.20g的间苯二酚置于50mL的烧杯中，加入10.8mL的水室温下搅拌10min，搅拌转速为700rpm，用移液管取4mL的甲醛溶液(质量浓度37％)加入上述溶液中，搅拌10min，转速700rpm。然后将所得反应液体系转移至90℃油浴锅中，搅拌凝胶48h后，得到的粘稠状样品中加入15mL的丙酮静置6h进行溶剂交换，随后通过冷冻进行干燥，得到的湿凝胶在氮气的气氛以5℃/min的升温速率升温至600℃，然后在600℃下恒温煅烧3h，随后冷却至室温。将煅烧后的块状研磨成粉末状，称取1g的碳气凝胶粉末并随后加入150mg的乙酸镍，边搅拌边加入乙二胺水溶液至没过粉末(混合液中乙二胺的质量是镍原子质量的10倍)，充分搅拌下乙酸镍负载于碳干凝胶上并被还原转化为镍金属单质，随后将上述样品离心，清水洗涤、过滤干燥后得到最终产物Ni-CXGs-3。其SEM图如图2所示。
实施例4
碳气凝胶催化剂Ni-CXGs-4的制备，包括以下步骤：
称取质量2.20g的间苯二酚置于50mL的烧杯中，加入10.8mL的水室温下搅拌10min，搅拌转速为700rpm，用移液管取4mL的甲醛溶液(质量浓度37％)加入上述溶液中，搅拌10min，转速700rpm。然后将所得反应液体系转移至90℃油浴锅中，搅拌凝胶48h后，得到的粘稠状样品中加入15mL的丙酮静置6h进行溶剂交换，随后通过冷冻进行干燥，得到的湿凝胶在氮气的气氛以5℃/min的升温速率升温至600℃，然后在600℃下恒温煅烧3h，随后冷却至室温。将煅烧后的块状研磨成粉末状，称取1g的碳气凝胶粉末并加入300mg的乙酸镍，边搅拌边加入硼氢化钠水溶液至没过粉末(混合液中硼氢化钠的质量是镍原子质量的10倍)，充分搅拌下乙酸镍负载于碳干凝胶上并被还原转化为镍金属单质，随后将上述样品离心，清水洗涤、过滤干燥后得到最终产物Ni-CXGs-4。
实施例5
碳气凝胶催化剂Ni-CXGs-5的制备，包括以下步骤：
称取质量2.20g的间苯二酚置于50mL的烧杯中，加入10.8mL的水室温下搅拌10min，搅拌转速为700rpm，用移液管取4mL的甲醛溶液(质量浓度37％)加入上述溶液中，搅拌10min，转速700rpm。然后将所得反应液体系转移至90℃油浴锅中，搅拌凝胶48h后，得到的粘稠状样品中加入15mL的丙酮静置6h进行溶剂交换，随后通过冷冻进行干燥，得到的湿凝胶在氮气的气氛以5℃/min的升温速率升温至600℃，然后在600℃下恒温煅烧3h，随后冷却至室温。将煅烧后的块状研磨成粉末状，称取1g的碳气凝胶粉末并加入131mg的硫酸镍，边搅拌边加入乙二胺水溶液至没过粉末(混合液中乙二胺的质量是镍原子质量的10倍)，充分搅拌下硫酸镍负载于碳干凝胶上并被还原转化为镍金属单质，随后将上述样品离心，清水洗涤、过滤干燥后得到最终产物Ni-CXGs-5。其SEM图如图3所示。
实施例6
碳气凝胶催化剂Ni-CXGs-6的制备，包括以下步骤：
称取质量2.20g的间苯二酚置于50mL的烧杯中，加入10.8mL的水室温下搅拌10min，搅拌转速为700rpm，用移液管取4mL的甲醛溶液(质量浓度37％)加入上述溶液中，搅拌10min，转速700rpm。然后将所得反应液体系转移至90℃油浴锅中，搅拌凝胶48h后，得到的粘稠状样品中加入15mL的丙酮静置6h进行溶剂交换，随后通过冷冻进行干燥，得到的湿凝胶在氮气的气氛以5℃/min的升温速率升温至600℃，然后在600℃下恒温煅烧3h，随后冷却至室温。将煅烧后的块状研磨成粉末状，称取1g的碳气凝胶粉末并加入13.1mg的乙酸镍，边搅拌边加入硼氢化钠水溶液至没过粉末(混合液中硼氢化钠的质量是镍原子质量的10倍)，充分搅拌下乙酸镍负载于碳干凝胶上并被还原转化为镍金属单质，随后将上述样品离心，清水洗涤、过滤干燥后得到最终产物Ni-CXGs-6。
从SEM图1-3可以看出，实施例2，实施例3和实施例5制备的金属Ni负载在碳气凝胶催化剂形貌基本一致，整体形貌类似杂乱的多肉形状，说明不同的镍负载在碳气凝胶并不会改变的其原有整体的形貌。
对比例1
碳气凝胶催化剂Ni-CXGs-7的制备，包括以下步骤：
称取质量2.20g的间苯二酚置于50mL的烧杯中，加入10.8mL的水室温下搅拌10min，搅拌转速为700rpm，用移液管取4mL的甲醛溶液(质量浓度37％)加入上述溶液中，搅拌10min，转速700rpm。然后将所得反应液体系转移至90℃油浴锅中，搅拌凝胶48h后，得到的粘稠状样品中加入15mL的丙酮静置6h进行溶剂交换，随后通过冷冻进行干燥，得到的湿凝胶在氮气的气氛以5℃/min的升温速率升温至600℃，然后在600℃下恒温煅烧3h，随后冷却至室温。将煅烧后的块状研磨成粉末状，称取1g的碳气凝胶粉末并加入110mg的氯化镍，边搅拌边加入葡萄糖水溶液至没过粉末(混合时葡萄糖的质量是镍原子质量的10倍)，充分反应后，随后将上述样品离心，清水洗涤、过滤干燥后得到最终产物Ni-CXGs-7。
对比例2
碳气凝胶催化剂Ni-CXGs-8的制备，包括以下步骤：
称取质量2.20g的间苯二酚置于50mL的烧杯中，加入10.8mL的水室温下搅拌10min，搅拌转速为700rpm，用移液管取4mL的甲醛溶液(质量浓度37％)加入上述溶液中，搅拌10min，转速700rpm。然后将所得反应液体系转移至90℃油浴锅中，搅拌凝胶48h后，得到的粘稠状样品中加入15mL的丙酮静置6h进行溶剂交换，随后通过冷冻进行干燥，得到的湿凝胶在氮气的气氛以5℃/min的升温速率升温至600℃，然后在600℃下恒温煅烧3h，随后冷却至室温。将煅烧后的块状研磨成粉末状，称取1g的碳气凝胶粉末并加入15mg的乙酸镍，边搅拌边加入葡萄糖溶液至没过粉末即可，充分反应后(混合时葡萄糖的质量是镍原子质量的10倍)，随后将上述样品离心，清水洗涤、过滤干燥后得到最终产物Ni-CXGs-8。
对比例3
碳气凝胶催化剂Ni-CXGs-9的制备，包括以下步骤：
称取质量2.20g的间苯二酚置于50mL的烧杯中，加入10.8mL的水室温下搅拌10min，搅拌转速为700rpm，用移液管取4mL的甲醛溶液(质量浓度37％)加入上述溶液中，搅拌10min，转速700rpm。然后将所得反应液体系转移至90℃油浴锅中，搅拌凝胶48h后，得到的粘稠状样品中加入15mL的丙酮静置6h进行溶剂交换，随后通过冷冻进行干燥，得到的湿凝胶在氮气的气氛以5℃/min的升温速率升温至600℃，然后在600℃下恒温煅烧3h，随后冷却至室温。将煅烧后的块状研磨成粉末状，称取1g的碳气凝胶粉末并加入262mg的硫酸镍，边搅拌边加入葡萄糖溶液至没过粉末(混合时葡萄糖的质量是镍原子质量的10倍)，充分反应后，随后将上述样品离心，清水洗涤、过滤干燥后得到最终产物Ni-CXGs-9。
对比例4
碳气凝胶催化剂Fe-CXGs的制备，包括以下步骤：
称取质量2.20g的间苯二酚置于50mL的烧杯中，加入10.8mL的水室温下搅拌10min，搅拌转速为700rpm，用移液管取4mL的甲醛溶液(质量浓度37％)加入上述溶液中，搅拌10min，转速700rpm。然后将所得反应液体系转移至90℃油浴锅中，搅拌凝胶48h后，得到的粘稠状样品中加入15mL的丙酮静置6h进行溶剂交换，随后通过冷冻进行干燥，得到的湿凝胶在氮气的气氛以5℃/min的升温速率升温至600℃，然后在600℃下恒温煅烧3h，随后冷却至室温。将煅烧后的块状研磨成粉末状，称取1g的碳气凝胶粉末并加入173mg的四水乙酸铁，边搅拌边加入质量分数20％的葡萄糖溶液至没过粉末(葡萄糖的质量是铁原子质量的10倍)，充分反应后，随后将上述样品离心，清水洗涤、过滤干燥后得到最终产物Fe-CXGs
对比例5
碳气凝胶催化剂Co-CXGs的制备，包括以下步骤：
称取质量2.20g的间苯二酚置于50mL的烧杯中，加入10.8mL的水室温下搅拌10min，搅拌转速为700rpm，用移液管取4mL的甲醛溶液(质量浓度37％)加入上述溶液中，搅拌10min，转速700rpm。然后将所得反应液体系转移至90℃油浴锅中，搅拌凝胶48h后，得到的粘稠状样品中加入15mL的丙酮静置6h进行溶剂交换，随后通过冷冻进行干燥，得到的湿凝胶在氮气的气氛以5℃/min的升温速率升温至600℃，然后在600℃下恒温煅烧3h，随后冷却至室温。将煅烧后的块状研磨成粉末状，称取1g的碳气凝胶并加入150mg的四水乙酸钴，边搅拌边加入葡萄糖溶液至没过粉末(葡萄糖的质量是钴原子质量的10倍)，充分反应后，随后将上述样品离心，清水洗涤、过滤干燥后得到最终产物Co-CXGs
应用实施例1：
分别验证实施例1-6和对比例1-5的催化剂的电催化性能：
分别以实施例1-6和对比例1-5的催化剂，制备催化剂浆液：取催化剂4.0mg、100μL5％的nafion溶液和900μL无水乙醇，超声30min分散均匀，分别得到利用实施例1-6和对比例1-5的催化剂制备的相应的催化剂浆液。将5μL催化剂浆液涂在旋转环盘电极的圆形玻碳区域，干燥后形成工作电极。
采用电化学工作站作为电化学发生装置，以涂覆有催化剂的旋转环盘电极作为工作电极，铂丝作为对电极，饱和甘汞作为参比电极，其中铂环端的电压Ering＝1.3VRHE(铂环端的电压Ering是用旋转环盘电极测试时必须设置的一个参数，铂环设置的电压设置原则为能够氧化反应产生H2O2，但是不能氧化溶液中存在的H2O，从而能够测试出H2O2氧化的电流，反应出其生产H2O2的选择性)。以0.1M的KOH水溶液作为电解液，并在电解液中持续通入氧气(氧气流量60mL/min)，选择性氧还原测试电压范围为0.0～0.6VRHE，扫速速率为10mV/s。在测试过程中，分别以实施例1-6和对比例1-5的催化剂进行电催化反应时，各催化剂对双氧水选择性的情况结果如图4-6所示。
利用Koutecky-Levich(K-L)方程来研究阴极氧还原的选择性：
式(4)中ID和IR分别为旋转环盘电极中的盘电流和环电流，N为实验中铂环在环盘电极的电流收集系数，通过实验计算得到收集系数为0.41。
在测试过程中，本发明实施例1-6制备的材料在氧还原反应中双氧水选择性与电压关系曲线图如图4所示，本发明对比例1-3制备的催化剂材料在氧还原反应中双氧水选择性与电压关系曲线图如图5所示，本发明对比例4-5制备的催化剂材料在氧还原反应中双氧水选择性与电压关系曲线图如图6所示。
分别对实施例1-6和对比例1-5进行性能测试，并将材料氧还原反应的选择性汇总于表1，是在特定电压0.4V条件下的统计结果。
表1实施例1-6、对比例1-2中催化剂氧还原电化学性能
表1汇总了实施例1-6，对比例1-5的催化剂在电催化氧还原测试结果中对双氧水的选择性，对比例4-5可以看出，相较于Ni来说，Fe和Co作为前驱体的对于双氧水的性能没有较好的提升，对比例4-5的催化剂材料的电催化生成双氧水的效果较差，其原因可能是因Ni原子与碳气凝胶载体的相互作用力更强，Ni原子的损失更少。
此外，从表1可以看出实施例2、实施例3和实施例5分别选用氯化镍、乙酸镍和硫酸镍制备的催化剂，相比较于氯化镍和硫酸镍作为金属镍的前驱体，乙酸镍作为金属镍的前驱体制备的催化剂的电化学氧还原性能更好，可能是因为乙酸镍在反应后会更加容易洗去(残留杂质少)，对产物的影响会较小。
因此Ni的引入对于催化剂的催化活性的提升有一定的效果，然而从测试结果可知并不是Ni含量越多越优异二电子氧还原反应，而是有一定的最佳值范围，这可能是因为当Ni原子的含量过少的话，对催化效果微乎其微，然而当Ni原子含量太高时会容易团聚，导致暴露的催化活性位减少，进而不利于催化。此外，不同的还原剂对催化剂的性能也有所影响，主要是因为不同的还原剂对于Ni负载在碳气凝胶上的还原能力不一样。通过对比得出，硼氢化钠作为还原剂的效果最佳。
综上可知，通过在碳气凝胶中引入金属Ni原子的电催化剂对氧还原的电化学性能是有所提高的，这对在碳气凝胶中掺杂其他不同的杂原子得到理想氧还原电催化剂性能是指日可待的。
应用实施例2(测试催化剂的用于双氧水产量)：
以实施例2，实施例3和实施例5作为催化剂，制备催化剂浆液：取催化剂4.0mg、100μL 5％的nafion溶液和900μL无水乙醇，超声30min分散均匀，得到催化剂浆液。
双氧水的寿命测试(电流i-时间t)：将5μL催化剂浆液涂在1*1cm2碳布上，干燥后形成工作电极，铂丝作为对电极，饱和甘汞作为参比电极。电化学工作站与恒电流仪联用，以H性电解槽作为作为发生装置，以0.1M的KOH水溶液作为电解液，并在电解液中持续通入氧气(氧气流量20mL/min)。测试时电流密度为50mAcm-2，在通电后测得双氧水的浓度，结果如图7所示。
从图7可以看出，实施例2，实施例3和实施例5所制备得催化剂用于二点氧还原产双氧水具有较好的使用效果，在1h内产的双氧水浓度高达110ppm,此外可以看出，以氯化镍前驱体的实施例2效果最好，这个结论也与旋转环盘电极测得二电子选择性保持一致，具有优异的电催化活性。
本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。
Claims (10)
1.一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于包括以下步骤：以间苯二酚和甲醛为反应原料，以水为溶剂，将反应原料与溶剂混合后置于油浴锅的加热环境中凝胶老化，得到的粘稠状样品进行溶剂交换后到水凝胶，将水凝胶碳化处理后得到载体碳气凝胶并作为载体；用镍盐作为镍原子的前驱体，将镍盐溶液和碳气凝胶按照一定的比例混合并充分搅拌使镍盐负载于碳气凝胶上，然后用还原剂对其还原，使镍盐转化为镍金属单质，得到最终产物负载金属Ni的碳气凝胶催化剂，即为Ni/CXGs催化剂。
2.如权利要求1所述的一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于具体包括以下步骤：
1）向烧杯中加入间苯二酚、甲醛溶液和去离子水并搅拌均匀，然后将烧杯转移至油浴锅中加热，使烧杯中反应液体系在加热下进行凝胶老化，控制凝胶老化过程中的加热温度和时间使形成湿凝胶；
2）步骤1）反应结束后，向合成的粘稠状湿凝胶中加入丙酮，静置下进行溶剂交换后干燥得到水凝胶；
3）将步骤2）得到的水凝胶转移到管式炉中于惰性气氛下进行高温碳化处理，冷却至室温得到载体碳干凝胶CXGs，将其研磨成粉末状备用；
4）向步骤3）所得碳干凝胶中加入镍盐，边搅拌边加入还原剂水溶液至还原剂水溶液没过碳干凝胶粉末，充分搅拌下镍盐负载于碳干凝胶上并被还原剂还原转化为镍金属单质，最后对反应后的样品进行离心、洗涤、干燥得到最终产物Ni/CXGs催化剂。
3.如权利要求2所述的一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于步骤1）中，甲醛溶液的质量浓度在30~ 40%，优选为37%；间苯二酚的质量与所述甲醛溶液的体积之比为1 g：（1 ~ 3）mL，优选为1g：1.8~2mL；间苯二酚的质量与去离子水溶剂的体积之比是1 g:（3 ~ 8）mL，优选为1g:4.5~5mL。
4.如权利要求2所述的一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于步骤1）中，油浴锅的加热温度为70℃~120℃，优选为90℃，凝胶老化时间在24 ~72 h，优选48h。
5.如权利要求2所述的一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于步骤2）中，干燥的方式为常温干燥、真空干燥或冷冻干燥，优选为冷冻干燥。
6.如权利要求2所述的一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于步骤3）中，碳化温度为400 ~ 800℃，优选为600℃；碳化时间为2 ~5 h，优选为3 h，气氛为N2。
7.如权利要求2所述的一种一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于步骤4）中，前驱体镍盐为乙酸镍、氯化镍和硫酸镍中的至少一种，优选为氯化镍；碳干凝胶与镍盐的投料质量比为3~90:1，优选为6~9:1。
8.如权利要求2所述的一种负载金属Ni的碳气凝胶催化剂的合成方法，其特征在于步骤4）中，还原剂为硼氢化钠、乙二胺和葡萄糖中的至少一种，优选硼氢化钠作为还原剂。
9.如权利要求1 ~ 8任一所述方法合成的负载金属Ni的碳气凝胶催化剂。
10.如权利要求9所述的负载金属Ni的碳气凝胶催化剂在电催化氧还原制备双氧水中的应用，其特征在于以电化学工作站作为电化学发生装置，采用三电极测量体系，将所述负载金属Ni的碳气凝胶催化剂涂覆在碳布或者旋转环盘电极的圆形玻碳区域上作为工作电极，以铂丝作为对电极，饱和甘汞作为参比电极，以KOH水溶液作为电解液，并在电解液中持续通入氧气，进行电化学氧还原反应，生产双氧水产品；其中，KOH水溶液的浓度为0.05mol/L ~ 0.2 mol/L，优选为0.1 mol/L。
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