[发明专利]一种低温等离子体调控性能的电催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种低温等离子体调控性能的电催化剂及其制备方法与应用。该方法包括：通过液相沉积法制备铜基催化剂，然后以氩气、氢气、空气或氧气等作为等离子体腔室的反应气氛，通过低温等离子体技术对铜基催化剂表面进行处理，在其表面引入氧空位、羟基官能团等不饱和活性位点。低温等离子体技术用于催化剂性能调控，其工艺简单，能耗较低，无需添加额外化学试剂，环境友好，应用前景良好。本发明所述电催化剂制备及调控方法可适用于电催化硝酸盐定向还原为氨的应用，与原材料相比，等离子体调控后的材料在硝酸盐还原反应中具有更高的电流密度、法拉第效率和氨转化的选择性，展现出更优异的电催化活性和稳定性。

技术领域

本发明涉及属于电催化材料技术领域，具体涉及一种低温等离子体调控性能的电催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

氮是所有地球生态系统和人类社会活动的基本元素，然而由于人类活动导致地下水及其他水体中硝态氮含量增加，造成的氮循环失衡，已构成影响人类和生态系统平衡的重大环境问题。为了避免硝酸盐过剩带来的危害，实现人工可持续氮循环，目前已经开发了许多治理技术，包括生物反硝化、物理化学移除以及电催化技术等。生物反硝化是目前成熟且普遍的技术，然而受微生物生长限制，并不适用于各类水体，且可能导致有机物残留和致病菌的产生，需后续严格处理才能保证水质安全。

利用电催化技术实现硝酸盐选择性降解被认为是高效治理地下水和工业废水中硝酸盐污染的最有效途径之一。从某种意义上讲，硝酸盐的电催化还原与微生物反硝化作用类似，都是通过电子转移实现硝酸盐还原，而电催化技术具有诸多不可比拟的优点：1.环境友好性。无需额外添加碳源和化学试剂，无毒副产物和致病菌残留，避免产生二次环境污染；2.高效选择性。通过对电流、电压和电极的选择，可实现对反应产物高效选择性，可将硝酸盐选择性还原为高附加值产物氨；3.经济性。能有效利用可再生能源(如太阳能和风能等)所提供的电力，降低电力成本，运行维护费用更低；4.灵活可控性。电化学还原可在常温常压的小型反应器中进行，无需大型设备，占地面积小，易于自动化，安装操作方便灵活。因此，利用电催化技术实现硝酸盐的还原降解，可以在治理水体硝酸盐污染的同时，实现氮循环合理优化，减少化石燃料驱动，促进可持续发展。

电催化剂是电化学还原反应的关键，开发可实现硝酸盐降解及产物选择性调控的高性能高稳定性催化剂是亟待解决的难题。曾有研究表明缺陷工程是调节过渡金属氧化物电催化剂的表界面特性和能带结构的有效策略，缺陷的引入可促进电子转移，影响活性物种在电催化反应中的吸附/解吸能，从而有效提高催化剂的电催化活性。目前，硝酸根的电化学还原仍然存在着转化率低、电流效率低、析氢反应竞争性强、对氨选择性差以及副产物亚硝酸根浓度偏高等问题(Liu,J.X.,Richards,D.,Singh,N.Goldsmith,B.R.Activityand Selectivity Trends in Electrocatalytic Nitrate Reduction on TransitionMetals.ACS Catal.2019,9,7052–7064.；Shih,Y.-J.,Wu,Z.-L.,Lin,C.-Y.,Huang,Y.-H.Huang,C.-P.Manipulating the crystalline morphology and facet orientation ofcopper and copper-palladium nanocatalysts supported on stainless steel meshwith the aid of cationic surfactant to improve the electrochemical reductionof nitrate and N₂ selectivity.Appl.Catal.B Environ.2020,273,119053.)，合理调控阴极材料的性能是未来研发的关键。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种低温等离子体调控性能的电催化剂及其制备方法与应用。

本发明的目的在于提出一种基于低温等离子体技术调控电催化剂性能的方法。