[发明专利]一种泡沫镍负载作尿素电解辅助制氢双功能催化剂电极

说明书

本发明是一种泡沫镍负载作尿素电解辅助制氢双功能催化剂电极，属于物理化学领域。本发明采用简单、低成本的方法合成了泡沫镍负载的非贵金属多孔氮化镍电催化剂(Co_5.47N NS/NF)，用于高效尿素电解辅助制氢，在1.345V电流密度为10mA/cm²时表现出优异的UOR性能。Co_5.47N NS/NF对HER也表现出很高的活性，在10mA/cm²时仅需116mV，这表明Co_5.47N NS/NF是一种优良的UOR和HER双功能催化剂。此外，相应的双电极电解槽只需要1.348V来驱动10mA/cm²，比水电解低0.2V，并且可以保持高电流密度(100mA/cm²)电解20小时。Co_5.47N NS/NF电极在完整的尿素电解过程中具有优异的性能，比水分解制氢效率更高，而Co_5.47N NS/NF电极具有很高的活性和稳定性，在替代贵金属和有效处理含尿素工业废水方面具有很大的潜力。

技术领域

本发明是一种泡沫镍负载作尿素电解辅助制氢双功能催化剂电极，属于物理化学领域。

背景技术

化石燃料资源的迅速枯竭引起了对清洁和可再生能源的巨大需求【1】。作为一种绿色能源(高能无二次污染)，氢能被广泛认为是替代化石能源的理想能源【2】。最近，水分解的电催化析氢反应(HER)几乎被认为是最有效的制氢方法。但是，析氧反应(OER)作为水分解的阳极，具有较高的理论氧化电位，这极大地限制了氢气的产生【3】。因此，从理论上选择电位较低的尿素氧化反应(UOR)对氢气经济具有重要意义【4】。同时，尿液引起的水污染已经成为一个具有挑战性的环境问题【5】。尿液中含有尿素，它可以转化为氨和氮化合物，这将对大气环境造成污染，理论上，相对于可逆氢电极(reversible hydrogen electrodeRHE)，在碱性介质中尿素在阳极上的标准电位为0.37V，水在阴极处以0V还原。然后得到标准条件下尿素电解的较低理论电位0.37V，通过电解可以有效地解决废水-尿素污染问题【6-8】。因此，尿素电解最近成为人们关注的焦点，它不仅可以处理废水，而且有助于高效地产生氢气【9】。反应过程为

CO(NH₂)₂(aq)+6OH-→N₂(g)+5H₂O(l)+CO₂(aq)+6e^-(1)

6H₂O(l)+6e^-→3H₂(g)+6OH^-(2)

CO(NH₂)₂(aq)+H₂O(l)→N₂(g)+3H₂(g)+CO₂(aq)(3)

用尿素氧化反应(UOR)的低理论电位代替阳极水分解(OER析氧反应)的高理论电位是氢能储存和转化的迫切需要。采用水热和焙烧法合成了泡沫镍(Co_5.47N NS/NF)负载的高性能双功能催化剂氮化钴纳米片(Co_5.47N NS/NF)。通过XRD，XPS，SEM，TEM，HRTEM和元素分析对催化剂的形貌和组成进行了研究。为了进行电化学性能和稳定性，构建了由Co_5.47NNS/NF作为阳极和阴极材料的双电极电解槽(Co_5.47N NS/NF|Co_5.47N NS/NF)。驱动100mA/cm²只需要1.687V的电压，这还远低于Pt/C||IrO₂的电压(1.816V)，并且现在的密度可以保持至少20小时，这表明其优异的活性和稳定性在商业上有很大优势。

发明内容