[发明专利]一种原位生长铁酸镍纳米阵列催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明公开一种水热法在泡沫镍上原位生长铁酸镍纳米阵列催化剂的制备方法，并将其用于电催化产氨。铁酸镍作为一种最丰富、最便宜的尖晶石，具有良好的导电性和电化学稳定性，可用于电催化领域。目前可以通过共沉淀法、乳液法、热解法、溶剂热法和水热法来合成纳米级铁酸镍。其中，溶剂热和水热法因方法简单、可大量合成而被广泛用来合成催化剂。本发明通过简单的水热法在泡沫镍基底上原位生长铁酸镍纳米阵列，并且直接作为阴极用于电催化氮气合成氨，避免了添加尿素等含氮化学试剂而可能带来的合成氨实验误差，取得了良好的效果。

技术领域

本发明属于纳米材料合成和电催化技术领域，具体是指一种铁酸镍纳米阵列催化剂的合成方法及其在电催化产氨中的应用。

背景技术

在现代科技的不断发展和进步下，纳米材料已经被越来越多的人所熟知。纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，主要有纳米微粒(1-100nm的粒子聚合体)、纳米固体(纳米微粒聚集而成的凝聚体)以及纳米组装体系(人工组装合成的纳米结构材料体系)，已被广泛应用于机械制造、电子信息、化工医药、航空航天以及环境保护等各个领域。在电催化领域，研究人员常常制备纳米级催化剂来实现反应的高效性。

泡沫镍(NF)作为一种具有良好导电性和优良电化学稳定性的过渡金属基材料，被广泛应用作电池电极、催化剂以及过滤器等。此外，泡沫镍本身的孔隙结构带来的良好分散性以及耐高温的特性更是使其可以用作水热或溶剂热等方法的基底来负载催化剂。这种在泡沫镍表面原位负载的催化剂不仅分布均匀，导电性好，还能避免传统粉末催化剂需添加粘合剂滴涂到电极而带来的脱落、污染反应物等问题。

铁酸镍(NiFe₂O₄)作为地球最丰富、最便宜的尖晶石之一，是一种典型的软磁铁氧体材料，具有优异的导电性和电化学特性，符合电催化用高效催化剂要求。目前可以通过共沉淀法、乳液法、热解法、溶剂热法和水热法来合成纳米级NiFe₂O₄。其中溶剂热法和水热法因其方法简单、可大量合成而被广泛应用于合成电催化用催化剂。然而，目前用水热法单纯通过添加铁盐的方式在泡沫镍上原位合成纳米NiFe₂O₄的相关研究尚未见报道。

在电催化领域，过渡金属元素尤其是铁镍基催化剂被广泛应用，如电解水、电催化产氨、电催化合成木质素等均广泛采用铁镍基催化剂，并取得了令人满意的效果。尽管铁镍氧化物在电催化合成氨领域都有报道，但这种在泡沫镍上原位负载铁酸镍纳米阵列(NiFe₂O₄/NF)催化剂用于合成氨的研究尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位生长铁酸镍纳米阵列催化剂的合成方法及其应用于电催化产氨，具体是指采用泡沫镍作为镍源和基底，水热法在泡沫镍上原位负载铁酸镍纳米阵列，直接将其用作电催化氮气产氨催化剂，并取得了良好的效果。

本发明具体技术方案如下：

一种铁酸镍纳米阵列催化剂的合成方法及其应用，主要包括以下两步：①泡沫镍和含铁水溶液置于反应釜中通过水热法原位将铁酸镍纳米阵列负载到泡沫镍上；②产物进行冲洗、干燥，得到的原位负载了铁酸镍纳米阵列的泡沫镍直接用作阴极电催化氮气产氨。

催化剂具体制备方法为：

首先将泡沫镍分别用丙酮、2～6mol/L盐酸溶液超声清洗10～30min除去表面的有机物以及氧化物，然后用去离子水和乙醇清洗，真空干燥备用；将一片干燥后的泡沫镍倾斜放置于聚四氟乙烯内衬中，将含铁溶液倒入，将内衬封闭于反应釜中；将反应釜放置于电热鼓风干燥箱中，设置温度160℃～320℃，反应10～20h。

本发明所述含铁水溶液为硝酸铁水溶液。