[发明专利]一种三维自支撑γ-Fe2

说明书

本发明公开了一种三维自支撑γ‑Fe₂O₃‑NC/CF电极，所述电极包括碳布和负载在碳布表面的催化剂，所述催化剂为以γ‑Fe₂O₃颗粒为核、以氮掺杂碳为壳的核壳结构。本发明还公开了一种三维自支撑γ‑Fe₂O₃‑NC/CF电极的制备方法：将氯化钴和尿素加入去离子水中溶解，浸入碳布，加热，使碳布上带有钴的前驱体；将氯化铁加入到去离子水中溶解，浸入带有钴的前驱体的碳布，加热，在碳布表面生成羟基氧化铁；将表面生成羟基氧化铁的碳布再浸入到含有苯胺和硫酸钠的水溶液中，进行电沉积，将电沉积后的碳布高温煅烧，得到三维自支撑γ‑Fe₂O₃‑NC/CF电极。本发明还公开了一种三维自支撑γ‑Fe₂O₃‑NC/CF电极在电催化氮气还原成氨的应用。该电极在电催化氮气还原成氨上具有高催化活性，该制备方法简单、且易于操作和成本低。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，特别涉及一种三维自支撑γ-Fe₂O₃-NC/CF电极及其制备方法和应用。

背景技术

氨作为无机肥料和能量的载体在人类的生产生活中起到重要的作用，因此将氮气转化成氨的工艺受到人们的广泛关注。传统的工业用氨主要采用 Haber-Bosch方法合成，但是该方法工艺条件要求非常严格，而且会产生大量的温室气体CO₂。因此人们希望开发一种常温常压下可再生，环境友好的固氮途径来取代传统的固氮技术。

电化学氮气还原(NRR)反应是目前最具发展前景的技术之一，因为催化反应过程中所消耗的电能能够由风能、太阳能、潮汐等二次能源提供。然而，当前NRR反应面临的最大挑战是氮气分子中N≡N三键极高的键能(940.95kJ mol^–1)不易被打开。因此，高活性和高选择性NRR电催化剂的开发正在兴起。

例如，一些文献报道的贵金属Au,Pd，Ru电催化剂被认为是最有效的电催化材料，但是它们的催化效果远不能满足人们的需求，而且贵金属价格昂贵，储量稀少也限制了它们的广泛应用。因此，近年来关于非贵金属电催化剂的开发备受关注。值得注意的是，理论计算提供的“火山”图预测出金属铁对NRR 反应具有较高的催化活性。

现有报道各种铁基材料具有催化固氮的性能，如公开号为CN108704649A的专利文献公开了一种非贵金属基电解水析氧反应电催化剂，所述电催化剂为镍铁层状双氢氧化物上，负载了羟基氧化铁纳米团簇。公开号为CN108993511A的专利文献公开了一种超细纳米多孔镍铁氧化物电催化剂的制备方法，通过离子交换和溶剂热法合成镍铁类普鲁士蓝，再对其进行低温热解合成具有不同镍铁比例和组元的镍铁氧化物，通过离子交换获得具有不同镍铁比例的镍铁类普鲁士蓝，在空气中低温热解，获得具有超细纳米颗粒的镍铁氧化物，其颗粒大小为20纳米，氧化物中铁镍分布均匀，并且该镍铁氧化物具有多元组分。

但是大多数铁基催化材料仅在高温下具有良好的催化效果，室温下转化效率非常低。因此，探索新型铁基NRR催化材料具有很大的发展空间。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种三维自支撑γ-Fe₂O₃-NC/CF电极，应用在电催化氮气还原成氨，具有高催化活性，本发明还提供一种三维自支撑γ-Fe₂O₃-NC/CF 电极的制备方法，简单、且易于操作和成本低。

本发明提供如下技术方案：

一种三维自支撑γ-Fe₂O₃-NC/CF电极，所述电极包括碳布和负载在碳布表面的催化剂，所述催化剂为以γ-Fe₂O₃颗粒为核、以氮掺杂碳为壳的核壳结构。

所述纳米颗粒的直径为20-100nm。