[发明专利]一种自支撑类珊瑚状阵列结构电极的制备方法

说明书

本发明提供一种自支撑类珊瑚状阵列结构电极的制备方法，用于电催化氢能制取与降解污染物尿素。磷化镍/二氧化铈异质结的构建可以调节本征催化剂的电荷结构，加快反应过程中的电荷传输，而且界面的形成还可以形成更多的活性位点，从而显著提高该材料的催化性能。作为一种双功能催化剂，同时实现污水中尿素的降解与节能产氢。在阳极电压下，尿素被氧化分解为二氧化碳，氮气以及水等无污染物质，阴极则析出氢气。在碱性电解液中，尿素的加入使得相同电流下阴极产氢所需电位大幅度降低。其次，通过原位生长技术，提高催化剂的催化活性与稳定性，对于进一步实现尿素降解与节能产氢的工业化具有深远的意义。该制备方法具有设备简单、易于实现控制、工艺重复性好、产品质量稳定等优点，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，具体涉及一种自支撑类珊瑚状阵列结构电极的制备，以及作为双功能电极，用于电催化氢能源制取与氧化降解污染物尿素的应用。

背景技术

目前，氢能由于其环保效率和高能量密度，被认为是传统化石燃料的理想替代能源载体。与环境污染严重的传统制氢方法相比，电解水制取氢气是一种有前景的高纯度制氢方法。一般来说，水电解包括阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)，这两种反应特别是OER过程都需要额外的能量来克服反应势垒。因此，高活性的电催化剂对于提高反应速率和降低过程中的过电位是必不可少的。与HER相比，OER过程涉及多个复杂的质子耦合电子转移步骤，导致动力学缓慢，显著降低了水电解的能量转换效率。为避免OER产生过大的阳极过电位，以联氨、尿素、甘油等较易氧化的物质代替OER是一种高效节能的制氢方法。

其中，尿素是目前最常用的提高作物产量的化学肥料之一，但是在施用过程中存在很多不合理现象，这不仅造成许多浪费，并且严重污染了农业环境和地下水资源。电化学降解尿素是目前公认的最为有效快速治理尿素污染的方法之一，在阳极电压下，尿素分子得电子被氧化为氮气和二氧化碳等无毒无害物质(CO(NH₂)₂+6OH-→N₂+5H₂O+CO₂+6e^-,UOR)。因此电催化降解法不仅可以实现尿素的快速处理，还可以实现低电位制取氢能源，与国家提倡的节能减排相呼应。

然而，尿素氧化反应是一个典型的六电子过程，因此，迫切需要探索储量丰富、性能优良的双功能催化剂，在同一电解液中实现尿素电解，既能避免不相容性，又能降低合成成本。过渡金属磷化物，由于出色的双功能特性而受到国内外学者的广泛关注。然而，单独磷化物活性较低，无法满足目前的人类需求。构建异质结复合材料是目前提高催化剂催化活性的有效策略之一。异质界面的构建可以调节本征催化剂的电荷结构，加快反应过程中的电荷传输，而且界面的形成还可以形成更多的活性位点，从而显著提高该材料的催化性能。其次，通过原位生长技术，制备阵列结构，可以提高催化剂与电解液的充分接触，进一步提高催化剂的催化活性与稳定性，对于进一步实现尿素降解与节能产氢的工业化具有深远的意义。

发明内容

针对环境中尿素滥用、污染严重，能源短缺等问题，本发明立足于电化学降解法，提出一种自支撑类珊瑚状阵列结构双功能电极的制备方法，同时实现阴极氢气析出与阳极尿素降解。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

(1)前驱体阵列结构的制备：以泡沫镍为基底，用稀硝酸、乙醇以及去离子水多次冲洗，除去表面有机杂质及氧化层，自然晾干。称取一定量六水合硝酸镍、六水合硝酸铈、尿素以及氟化铵分散在一定体积去离子水中，转移至一定体积反应釜中，搅拌均匀溶解，将泡沫镍转移至其中并封装，转移至烘箱中，恒温一定时长，自然降温。将产物从反应釜中取出，去离子水以及乙醇反复冲洗，真空烘箱中烘干，制得氢氧化镍/二氧化铈纳米片阵列。