碳点掺杂Fe-Ni3S2@NF电催化剂的制备方法及应用于分解尿素制氢 专利技术说明

电解或电泳工艺的制造及其应用技术碳点掺杂fe-ni3s2@nf电催化剂的制备方法及应用于分解尿素制氢技术领域1.本发明属于纳米复合材料技术领域，涉及电催化剂，尤其涉及一种碳点掺杂fe-ni3s2@nf电催化剂的制备方法及应用于电催化分解尿素制氢。背景技术：2.氢能作为清洁可再生的能源，在解决能源环境方面具有绿色和无污染的优势，受到广泛关注。电解水生产氢被认为是一种简单、方便和有前途的新能源技术。然而，析氧反应(oer)作为水电解系统中阳极的半反应，由于4e-转移过程具有相当高的过电势，极大地限制了制氢的能量效率。从理论上讲，用其他热力学有利的小分子电氧化反应取代迟缓的析氧反应，可以显著提高h2的生成效率。目前，尿素的电氧化被认为是种有前景的生产h2的阳极反应，其理论电压为0.37v(相对于可逆氢电极(vs.rhe))比传统的析氧反应(1.23v vs.rhe)更好。同时，尿素电解不仅可以降低产生h2所需的电位，还可以实现富含尿素的废水净化。同时尿素氧化反应也是尿素燃料电池中重要的反应，降低反应中的过电位可以极大提高尿素燃料电池的效率。3.然而，尿素阳极氧化反应(uor)(co(nh2)2+6oh-＝n2+5h2o+co2+6e-)是一个复杂的六电子转移过程，缓慢的动力学限制了其催化性能。因此，为了提高催化剂尿素氧化的催化性能，人们不断努力设计不同种类的纳米复合材料来达到目的。主要包括空位的引入、原子掺杂、异质结构的构建。其中，fe原子掺杂可以改变ni3s2中ni的配位环境，优化尿素氧化反应的中间体在ni3s2活性位点上的结合强度，加快电子传输，提高导电性并更多暴露的活性位点，促进反应动力学。然而，很少有文献强调纳米碳材料对原子掺杂ni3s2电催化剂形态的调节作用，碳点(cds)具有丰富的表面官能团、独特的电子储存能力和高效稳定的反应活性中心等优点成为催化领域一种极具吸引力的新材料。因此，提出一种在泡沫镍上负载的碳点掺杂fe-ni3s2电催化剂是非常具有挑战性的。4.基于上述考虑，发明人在负载于泡沫镍上的2d的fe-ni3s2纳米片中复合碳点来增强电催化全分解尿素制氢。这种独特的0d-2d纳米片结构设计，不仅在电催化反应中提供了更大的比表面积和丰富的反应位点，还保证了fe-ni3s2和碳点的充分接触，有效促进了尿素的吸附分解和反应中的电荷转移。技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种碳点掺杂fe-ni3s2@nf(fe-ni3s2/cds@nf)电催化剂的制备方法。6.一种碳点掺杂fe-ni3s2@nf(fe-ni3s2/cds@nf)电催化剂的制备方法，包括：称取硫化钠溶解于去离子水中，加入碳点搅拌均匀，将生长在泡沫镍上的fe-ni(oh)2(fe-ni(oh)2@nf)置入其中，转移到反应釜中110～180℃水热反应4～10h，优选120℃反应6h，冷却至室温，先后用乙醇和水洗涤三次，干燥后即得，其中，硫化钠、碳点与去离子水的固液比为480mg:0.5～4mg:30ml，优选480mg:2mg:30ml。7.本发明较优公开例中，所述生长在泡沫镍上的fe-ni(oh)2(fe-ni(oh)2@nf)，其制备方法为：称取硝酸镍、硝酸铁、尿素、氟化铵溶于水中并超声搅拌，置于反应釜中并加入处理好的泡沫镍，在110～180℃的高压釜中水热反应4～10h，优选120℃水热反应8h，冷却至室温，先后用乙醇和水洗涤三次，干燥后即得fe-ni(oh)2，其中，硝酸镍、硝酸铁、尿素、氟化铵与去离子水的固液比为0.5815g:0.0897～0.808g:0.36g:0.15g:3ml，优选0.5815g:0.134g:0.36g:0.15g:3ml。8.所述泡沫镍经预处理后表面洁净，无杂质。9.本发明较优公开例中，所述碳点为自制，现公开一种碳点的制备方法：将柠檬酸和乙二胺溶解在去离子水中分散均匀，移至反应釜，100～200℃水热反应4～1h，优选180℃反应5h，自然冷却至室温，透析，得到碳点，其中，柠檬酸:乙二胺:去离子水的固液比为0.5～2g:0.1～0.5ml:5～20ml，优选1.05g:0.335ml:10ml。10.本发明还有一个目的在于，将根据上述方法制得的fe-ni3s2/cds@nf用作尿素燃料电池中的非贵金属电催化剂应用于分解尿素制氢。同时，还能利用电催化解决环境中的尿素污染问题，也可以应用于降低尿素燃料电池的过电位。11.在ch760d电化学工作站(ch instruments,inc)上对合成的催化剂进行室温电化学性能测试。对石墨棒和hg/hgo分别用作对电极和参比电极。通过线性扫描伏安法(lsv)测试以5mv/s的扫描速率收集所有样品的所有极化曲线，并根据能斯特方程e rhe＝e hg/hgo+0.0592×ph+0.098将获得的lsv曲线校准为rhe，以此来评价电催化剂的催化活性。12.本发明所制得fe-ni3s2/cds@nf复合电催化剂形貌由扫描电子显微镜(sem)、透射电子显微镜(tem)确定，结构由x射线衍射(xrd)确定。以1mkoh+0.3m尿素的混合溶液作为电解液进行电催化实验，通过电化学工作站检测，显示出优异的电催化活性。13.有益效果14.本发明首先利用简单水热合成方法合成fe-ni(oh)2@nf纳米片、碳点，接着在fe-ni(oh)2@nf纳米片硫化的过程中，表面修饰碳点构筑fe-ni3s2/cds@nf纳米复合电催化剂来增强电催化全分解尿素制氢。同时该催化剂还可以用于电解废液中的尿素以及被用作尿素燃料电池中的高效催化剂。本发明工艺非常简单，价廉易得，成本低廉，反应时间较短，利用电能转化为氢能减少了能耗和反应成本，便于批量生产，无毒无害，符合可持续发展要求。附图说明15.图1.实施例1制得的fe-ni3s2/cds@nf电催化剂的xrd图；16.图2.实施例1制得的fe-ni3s2/cds@nf电催化剂的sem图；17.图3.实施例1制得的fe-ni3s2/cds@nf电催化剂的tem图(a)和hrtem图(b)；18.图4.实施例1制得的负载在泡沫镍上碳点掺杂的不同镍：铁含量的fe-ni3s2电极的her极化曲线图(a)以及uor极化曲线图(b)，负载在泡沫镍不同碳点掺杂量的fe-ni3s2电极的her极化曲线图(c)以及uor极化曲线图(d)；19.图5.实施例1所制得的不同复合材料的her极化曲线图(a),uor的极化曲线图(b)20.图6.实施例1所制得的不同复合材料的全分解尿素的lsv极化曲线图(a)和her以及uor的极化曲线图(b)。具体实施方式21.下面结合实施例对本发明进行详细说明，以使本领域技术人员更好地理解本发明，但本发明并不局限于以下实施例。22.实施例123.一种碳点掺杂fe-ni3s2@nf(fe-ni3s2/cds@nf)电催化剂的制备方法，包括如下步骤：24.(1)将480mg硫化钠溶解于30ml去离子水中，加入一定量(0.5～4mg)的碳点溶液搅拌1h，直至溶液均匀分散后加入负载于泡沫镍上的fe-ni(oh)2；25.(2)将混合溶液转移到高压釜中，在120℃保持6h，待到冷却室温后，用乙醇/水洗涤三次，干燥后制得fe-ni3s2/cds@nf。26.所制得的fe-ni3s2/cds@nf，在10ma cm-2电流密度下her的电动势为54mv,uor的电动势为1.34v。27.所述负载于泡沫镍上的fe-ni(oh)2的制备：称取0.5815g硝酸镍、0.1347g硝酸铁、0.36g尿素、0.15g氟化铵溶解于30ml去离子水中，搅拌至均匀分散并加入处理好的泡沫镍，120℃的条件下在高压釜中水热反应8h，冷却至室温，先后用乙醇和水洗涤三次，干燥后即得。28.所述碳点的制备：将柠檬酸(1.05g)和乙二胺(335μl)溶解在10ml去离子水中，转移到20ml反应釜，180℃加热5h，冷却至室温，得到褐黑色的产品，透析后得到碳点。29.实施例230.一种碳点掺杂fe-ni3s2@nf(fe-ni3s2/cds@nf)电催化剂的制备方法，包括如下步骤：31.(1)将480mg硫化钠溶解于30ml去离子水中，加入0.5mg的碳点溶液搅拌h，直至溶液均匀分散后加入负载于泡沫镍上的fe-ni(oh)2；32.(2)将混合溶液转移到高压釜中，在120℃保持6h，冷却室温后，用乙醇/水洗涤三次，干燥后制得fe-ni3s2/cds@nf。33.所制得的fe-ni3s2/cds@nf，在10macm-2电流密度下her的电动势为109mv,uor的电动势为1.38v。34.所述负载于泡沫镍上的fe-ni(oh)2的制备：称取0.5815g硝酸镍、0.1347g硝酸铁、0.36g尿素、0.15g氟化铵溶解于30ml去离子水中，搅拌至均匀分散并加入处理好的泡沫镍，在120℃的条件下在高压釜中水热反应8h，冷却至室温，先后用乙醇和水洗涤三次，干燥后即得。35.所述碳点的制备：将柠檬酸(1.05g)和乙二胺(335μl)溶解在10ml去离子水中，转移到20ml反应釜，180℃加热5h，冷却至室温，得到褐黑色的产品，透析后得到碳点。36.实施例337.一种碳点掺杂fe-ni3s2@nf(fe-ni3s2/cds@nf)电催化剂的制备方法，包括如下步骤：38.(1)将480mg硫化钠溶解于30ml去离子水中，加入1mg的碳点溶液搅拌1h，直至溶液均匀分散后加入负载于泡沫镍上的fe-ni(oh)2；39.(2)将混合溶液转移到高压釜中，在120℃保持6h，冷却室温后，用乙醇/水洗涤三次，干燥后制得fe-ni3s2/cds@nf。40.所制得的fe-ni3s2/cds@nf，在10ma cm-2电流密度下her的电动势为106mv,uor的电动势为1.37v。41.其中，所述负载于泡沫镍上的fe-ni(oh)2的制备：称取0.5815g硝酸镍、0.1347g硝酸铁、0.36g尿素、0.15g氟化铵溶解于30ml去离子水中，搅拌至均匀分散并加入处理好的泡沫镍，在120℃的条件下在高压釜中水热反应8h，冷却至室温，先后用乙醇和水洗涤三次，干燥后即得。42.所述碳点的制备：将柠檬酸(1.05g)和乙二胺(335μl)溶解在10ml去离子水中，转移到20ml反应釜，180℃加热5h，冷却至室温，得到褐黑色的产品，透析后得到碳点。43.实施例444.一种碳点掺杂fe-ni3s2@nf(fe-ni3s2/cds@nf)电催化剂的制备方法，包括如下步骤：45.(1)将480mg硫化钠溶解于30ml去离子水中，加入0.5mg的碳点溶液搅拌1h，直至溶液均匀分散后加入负载于泡沫镍上的fe-ni(oh)2；46.(2)将混合溶液转移到高压釜中，在120℃保持6h，冷却室温后，用乙醇/水洗涤三次，干燥后制得fe-ni3s2/cds@nf。47.所制得的fe-ni3s2/cds@nf，在10ma cm-2电流密度下her的电动势为54mv,uor的电动势为1.34v。48.其中，所述负载于泡沫镍上的fe-ni(oh)2的制备：称取0.5815g硝酸镍、0.1347g硝酸铁、0.36g尿素、0.15g氟化铵溶解于30ml去离子水中，搅拌至均匀分散并加入处理好的泡沫镍，在120℃的条件下在高压釜中水热反应8h，冷却至室温，先后用乙醇和水洗涤三次，干燥后即得。49.所述碳点的制备：将柠檬酸(1.05g)和乙二胺(335μl)溶解在10ml去离子水中，转移到20ml反应釜，180℃加热5h，冷却至室温，得到褐黑色的产品，透析后得到碳点。50.实施例551.一种碳点掺杂fe-ni3s2@nf(fe-ni3s2/cds@nf)电催化剂的制备方法，包括如下步骤：52.(1)将480mg硫化钠溶解于30m去离子水中，加入0.5mg的碳点溶液搅拌1h，直至溶液均匀分散后加入负载于泡沫镍上的fe-ni(oh)2；53.(2)将混合溶液转移到高压釜中，在120℃保持6h，冷却室温后，用乙醇/水洗涤三次，干燥后制得fe-ni3s2/cds@nf。54.所制得的fe-ni3s2/cds@nf，在10ma cm-2电流密度下her的电动势为93mv,uor的电动势为1.37v。55.其中，所述负载于泡沫镍上的fe-ni(oh)2的制备：称取0.5815g硝酸镍、0.1347g硝酸铁、0.36g尿素、0.15g氟化铵溶解于30ml去离子水中，搅拌至均匀分散并加入处理好的泡沫镍，在120℃的条件下在高压釜中水热反应8h，冷却至室温，先后用乙醇和水洗涤三次，干燥后即得。56.所述碳点的制备：将柠檬酸(1.05g)和乙二胺(335μl)溶解在10ml去离子水中，转移到20ml反应釜，180℃加热5h，冷却至室温，得到褐黑色的产品，透析后得到碳点。57.fe-ni3s2/cds@nf电催化剂的电催化活性实验58.(1)配制浓度为1m koh+0.3m尿素的电解液溶液；59.(2)分别取掺杂不同含量碳点的fe-ni3s2/cds@nf催化剂做工作电极，工作电极表面积为1cm2；60.(3)测试前，先让工作电极在100mv s-1下循环测试500圈，以保证工作电极极化完全，使测试数据更为准确。石墨棒和hg/hgo分别用作对电极和参比电极。通过线性扫描伏安法(lsv)测试以5mv/s的扫描速率收集所有样品的所有极化曲线，并根据能斯特方程e rhe＝e hg/hgo+0.0592*ph+0.098将获得的lsv曲线校准为rhe。结果经过处理可以得到图(5)的循环伏安曲线图。当fe-ni3s2/cds@nf中的镍：铁含量为6：1，实验过程中碳点掺杂含量为2mg时获得最佳的催化性能，在10ma cm-2电流密度下her的过电位仅为54mv,uor的过电位为1.34v。61.fe-ni3s2/cds@nf的表征分析62.如图1所示fe-ni3s2/cds@nf和fe-ni3s2@nf纳米复合材料的xrd衍射谱图。fe-ni3s2/cds@nf复合材料的xrd图谱与fe-ni3s2@nf相似，在22.1、31.5、38.2、50.1和55.4处的一组衍射峰指向相标准卡(pdf#44-1418)的立方相(101)、(110)、(003)、(113)和(122)，说明fe和cds的加入对ni3s2的晶体结构没有太大的变化，表明cds成功地引入到复合材料中。63.如图2所示，在fe-ni3s2/cds@nf复合材料中，清楚地发现催化剂呈现一种纳米片结构，这种垂直状的纳米片结构可以暴露更多的活性位点，进而提高催化性能。64.如图3a所示，在fe-ni3s2/cds@nf复合材料中，清楚地发现碳点均匀分布在fe-ni3s2纳米片的表面，二者呈现出紧密的结合。图3b给出了fe-ni3s2/cds复合物的hrtem图像，表明0.29nm的晶格归属于ni3s2的(110)平面，而0.42nm和0.22nm的晶格间距分别归因于ni3s2的(010)和碳点的(101)平面，表明碳量子点紧密的粘附在ni3s2纳米片的表面。随着fe和碳点的引入，在金属铁和碳点的双重辅助下，ni3s2可以有效地改变内部电子结构，从而提高电催化活性。65.如图4所示，图中可以清楚得知当镍:铁为6：1、实验过程中碳点的掺杂量为2mg时，fe-ni3s2/cds@nf复合电催化剂具有最优异的电催化电动势。66.如图5所示，图中可以清楚得知没有掺杂碳点的fe-ni3s2@nf催化性能不如掺杂碳点后的fe-ni3s2/cds@nf，在fe和碳点的双重辅助下，fe-ni3s2/cds@nf复合电催化剂具有最优秀的电催化电动势。67.如图6所示，图中可以清楚得知碳点的引入可以提高fe-ni3s2@nf催化剂的催化性能，fe-ni3s2/cds@nf作为催化剂全分解尿素时有最小的电动势。68.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。









图片声明：本站部分配图来自人工智能系统AI生成,觅知网授权图片,PxHere摄影无版权图库。本站只作为美观性配图使用,无任何非法侵犯第三方意图,一切解释权归图片著作权方,本站不承担任何责任。如有恶意碰瓷者,必当奉陪到底严惩不贷!




内容声明：本文中引用的各种信息及资料（包括但不限于文字、数据、图表及超链接等）均来源于该信息及资料的相关主体（包括但不限于公司、媒体、协会等机构）的官方网站或公开发表的信息。部分内容参考包括:(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供参考使用,不准确地方联系删除处理！本站为非盈利性质站点,发布内容不收取任何费用也不接任何广告!




免责声明：我们致力于保护作者版权，注重分享，被刊用文章因无法核实真实出处，未能及时与作者取得联系，或有版权异议的，请联系管理员，我们会立即处理，本文部分文字与图片资源来自于网络，部分文章是来自自研大数据AI进行生成,内容摘自(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理!的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请立即通知我们，情况属实，我们会第一时间予以删除，并同时向您表示歉意,谢谢!