[发明专利]一种电催化还原硝酸盐的催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及催化剂制备技术领域，特别是涉及一种电催化还原硝酸盐的催化剂制备方法，包括如下步骤：以泡沫镍为衬底，在泡沫镍的表面形成镍氧化层，得到复合物；采用三氯化钌溶液，对复合物采用电化学循环伏安法沉积钌纳米颗粒，得到Ni‑Ru复合催化剂。本发明提供一种电催化还原硝酸盐的催化剂制备方法，制备方法过程简单，催化剂负载Ru量低，催化剂成本低；本发明还提供一种电催化还原硝酸盐的催化剂的应用，在宽电压范围内具有更高的电流密度、电流法拉第效率和合成氨消除硝酸根速率。

技术领域

本发明涉及催化剂制备技术领域，特别是涉及一种电催化还原硝酸盐的催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

在工业生产过程中，大多数行业都会直接或间接产生硝酸盐，例如：食品类、燃料炼油等工厂排出的氨类废弃物，经生物、化学转化后形成硝酸盐；火力发电厂、汽车、轮船等在燃烧过程产生的大量氮氧化物，经降水淋溶形成硝酸盐；人工化肥中富含的硝酸铵、硝酸钙、硝酸钾、硝酸钠和纺织业燃料中富含的尿素等；电镀行业酸洗、退镀、浸蚀等过程产生的硝酸。硝酸盐极易溶于水，且较为稳定，不易形成共沉淀和吸附，因此，常规水处理技术并不适宜去除硝酸盐。

常规除硝酸盐主要有反渗透法，电渗析法，离子交换法，催化脱氮法，化学脱氮法和生物脱氮法。反渗透法，电渗析法，离子交换法存在成本高的问题，生物脱氮法存在效率低的问题。而通过电化学方法，在催化作用下，将硝酸还原转化为氨，不仅能够除去硝酸，并且还能够生成有价值的氨。现有电化学催化还原硝酸合成氨的研究中，性能最高的是Ru基催化剂。其制备方法首先通过改良的溶胶凝胶方法制备无定型的氯氧化钌，然后用滴定方法滴在碳纸衬底上，再通过电化学还原将氯氧化钌还原，最后在在H₂气氛中热处理6h。可以看出，该方法存在着制备工序繁琐的问题。并且由于催化剂采用滴加方法，催化剂与碳纸的结合力差，催化剂长时间运行是会出现稳定性不够的问题。此外，由于采用碳纸衬底，衬底电导率不高，还存在着电流收集效果较差，无法长时间在大电流下反应的问题。(JournaloftheAmericanChemicalSociety，2020.142(15):p.7036-7046.)。其他催化剂还包括有Cu基、Ti基和Co基催化剂，但是催化性能都较Ru低。此外，由于Ru属于贵金属，还存在催化剂成本高的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种电催化还原硝酸盐的催化剂制备方法，制备方法过程简单，催化剂负载Ru量低，催化剂成本低。

本发明还提供一种电催化还原硝酸盐的催化剂的应用，在宽电压范围内具有更高的电流密度、电流法拉第效率和合成氨消除硝酸根速率。

本发明采用如下技术方案：

一种电催化还原硝酸盐的催化剂制备方法，包括如下步骤：

以泡沫镍为衬底，在泡沫镍的表面形成镍氧化层，得到复合物；

采用三氯化钌溶液，对复合物采用电化学循环伏安法沉积钌纳米颗粒，得到Ni-Ru复合催化剂。

对上述技术方案的进一步改进为，在所述以泡沫镍为衬底，在泡沫镍的表面形成镍氧化层，得到复合物的步骤中，所述镍氧化层通过对所述泡沫镍表面空气中进行热处理获得。

对上述技术方案的进一步改进为，所述热处理的温度为室温～700℃，所述热处理的气氛为空气气氛。

对上述技术方案的进一步改进为，所述三氯化钌的含量为0.01～5g/L，pH范围为0～14。

对上述技术方案的进一步改进为，在所述采用三氯化钌溶液，对复合物采用电化学循环伏安法沉积钌纳米颗粒，得到Ni-Ru复合催化剂的步骤中，所述电化学循环伏安法包括如下步骤：

采用三电极电化学体系，以具有镍氧化层的泡沫镍作为工作电极，在工作电极上采用循环伏安扫描。