[发明专利]一种碳纤维负载的铜镍合金纳米颗粒硝酸根转氨催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维负载的铜镍合金纳米颗粒硝酸根转氨催化剂的制备方法，属于阴极电催化硝酸根8电子还原反应催化剂的制备技术领域。本发明以碳纤维纸为基底，以六水合硫酸镍和五水合硫酸铜混合水溶液为前驱体溶液，通过电沉积技术成功合成了具有优异硝酸根转氨催化活性的碳纤维负载的铜镍合金纳米颗粒催化剂。本发明具有简单、绿色环保、成本低廉等突出优点，不仅为硝酸根转氨绿色能源体系研究提供了思路，而且为阴极电催化碳载金属催化剂的理性设计合成提供了借鉴意义。

技术领域

本发明属于阴极电催化硝酸根8电子还原反应（NO₃RR）催化剂的制备技术领域，涉及碳纤维负载的铜基二元合金硝酸根转氨催化剂的制备方法，具体涉及一种碳纳米纤维负载的铜镍合金纳米颗粒硝酸根（NO₃^-）转氨催化剂的制备方法。

背景技术

农业氮肥的增量使用使硝酸盐成为地下水主要的污染物。美国国家工程院(National Academy of Engineering)已将氮循环管理视为一项重大挑战，对地下水中积累的硝酸盐进行处理可以缓解人类对氮循环的影响。各种各样的处理方法包括物理、生物和化学处理已经被广泛研究，以低于美国环境保护局规定的最高限度（即10%，10ppm）。电催化硝酸盐还原（NO₃RR）是一种很有前途的方法，具有诸多优势，比如可再生电力作为供能源、不产生二次污染等。此外，相比于传统的热催化硝酸盐还原，NO₃RR只需电子帮助还原而不需要H₂或其它还原剂的供应。NO₃RR的还原产物可以是N₂、NH₃、NO、N₂O和NH₂OH等。目前，高活性、高选择性和高稳定性的理想催化剂的缺乏是阻碍NO₃RR广泛应用的主要原因。

N₂和NH₃是电催化还原硝酸过程两种主要的理想产物，一种是低污染的，另一种是可利用的。目前电还原硝酸的大多数研究聚焦于合成N₂。事实上，对N₂实现高的催化选择性具有动力学挑战性，因为N-N耦合反应相当困难，相比之下，NH₄⁺/NH₃和H₂（氢析反应（HER））的动力学相对温和。特别是NO₃^–到NO₂^–的反应，被认为是合成不同N物种的决速步骤，且被证实是极具挑战性的。此外，关于电催化还原硝酸盐合成N₂的大多数报道，N₂的选择性低于30%，且是基于氮平衡估计（产生的N₂=反应的NO₃^– –产生NO₂^––NH₄⁺）。而这种间接量化N₂的方法有很大可能的不准确性，来自几方面的考虑，比如（1）量化NO₃^–、NO₂^–、NH₄⁺时的实验误差；（2）除了N₂，NO₂^–和NH₄⁺，还存在其它可能的氮氧化物中间体（NO、NO₂、和N₂O）；（3）反应器的不完全密封使空气中的N₂和样本混合，这可能很大程度上干扰准确量化N₂。因此，建立准确的氮和电子平衡是必要的，但由于一系列可能的含N中间体的存在（+V(NO₃^–)延伸到-III(NH₃)，例如NO₂、NO、N₂O、N₂、NH₂OH、NH₄⁺等等，这仍然具有挑战性。