[发明专利]一种富集路易斯酸位点的Co3

说明书

本发明提供了一种富集路易斯酸位点的Cosubgt;3/subgt;Osubgt;4/subgt;/Ni阵列电极及其制备方法与应用，涉及电催化剂技术领域。本发明采用水热‑热解两步法制备出富集路易斯酸位点的Cosubgt;3/subgt;Osubgt;4/subgt;/Ni阵列电极，该电极能够显著提高电还原硝酸盐合成氨的性能。本发明的电极在氢氧化钠电解液中表现出128.70mghsupgt;‑1/supgt;cmsupgt;‑2/supgt;的合成氨产率和95.31％的法拉第效率(FE)，以及1623.17mAcmsupgt;‑2/supgt;的合成氨有效电流密度。本发明的电极具有制备流程可控，操作简便等优点，路易斯酸位点的引入和自支撑的阵列构型显著提高了催化过程中的硝酸盐吸附活化能力、物质传输和电子传输能力以及长时间稳定性，为储氢材料的研发以及低碳能源的开发提供保障，为合成氨的工业化应用具有重要意义。

技术领域

本发明涉及电催化剂技术领域，尤其涉及一种富集路易斯酸位点的Co₃O₄/Ni阵列电极及其制备方法与应用。

背景技术

氨作为能量储存中间体和无碳能量载体对于缓解全球能源危机、助力实现双碳目标具有重要意义。哈伯-博世法以氮气和氢气为原料，是近百年来工业合成氨的主要手段。然而高温、高压等苛刻的合成条件以及二氧化碳的大量排放制约了哈伯-博世工艺的可持续发展，因此人们迫切寻求一种温和、绿色、可持续的合成氨替代工艺。鉴于硝酸盐中N＝O键较低的解离能(204kJ mol^-1)和可控的固液反应界面，电催化硝酸盐还原反应，以水为质子源、通过可再生能源驱动，是一种很有发展前景的合成氨替代工艺。

硝酸盐还原合成氨过程涉及八电子、九质子转移，复杂的反应路径使反应机理的探索和催化剂的研发困难重重，其中水相溶液中电极表面较弱的硝酸盐吸附能和催化过程中缓慢的电子转移动力是限制合成氨选择性和产率的主要因素。同时传统的金属基催化材料只有在低电位、小电流下才能保持较好的合成氨性能，大电流运行时剧烈的析氢反应严重制约了合成氨的产率和选择性。此外，硝酸盐还原电极制备过程中粘结剂的使用降低了电极的导电性和催化稳定性。因此，如何克服电催化硝酸盐合成氨中金属基催化剂导致的合成氨产率低、析氢现象严重、稳定性差等问题，得到一种绿色、高效、可持续的氨合成方法，对实现工业化合成氨，缓解全球能源危机具有重要意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种富集路易斯酸位点的Co₃O₄/Ni阵列电极的制备方法。本发明采用水热-热解两步法制备出富集路易斯酸位点的Co₃O₄/Ni阵列电极，优化后电还原硝酸盐合成氨的性能得到大大提高。本发明的电极具有制备流程可控，操作简便等优点，路易斯酸位点的引入和自支撑的阵列构型显著提高了催化过程中的硝酸盐吸附活化能力、物质传输和电子传输能力以及长时间稳定性。

本发明所述富集路易斯酸位点的Co₃O₄/Ni阵列电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钴源、氟化铵、尿素和柠檬酸钠依次加入去离子水中，搅拌至完全溶解，得到混合溶液；

(2)将泡沫Ni放入丙酮中超声波清洗20～40min，再放入3mol/L盐酸溶液中超声波清洗20～40min、再放入无水乙醇中超声波清洗20～40min，再放入去离子水超声波清洗20～40min，最后用高纯氩气吹干得到清洗后的泡沫Ni；

(3)将混合溶液移入反应釜中，然后将清洗后的泡沫Ni放入反应釜中；