[发明专利]一种电催化还原硝酸根为氨的钴基催化电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种电催化还原硝酸根为氨的钴基催化电极及其制备方法，通过化学沉淀、热解、负载和电化学还原的制备过程，得到含有钴基超薄纳米片的催化电极。本发明提供的催化电极在电催化硝酸根还原反应中表现出优异的硝酸根去除率、氨生成率和循环稳定性。

技术领域

本发明属于催化剂制备领域，尤其涉及一种用于硝酸根还原的钴基催化电极及其制备方法。

背景技术

随着工业化、农业化和城镇化的快速发展，产生大量高浓度硝酸根废水，若未经恰当处理，势必会给生态环境和人类健康造成巨大威胁。近年来，利用电催化技术实现硝酸根还原为氨使用绿色的电子作为还原剂，且操作条件温和、可控性强等优势，越来越受到人们的关注。

电催化硝酸根还原是一个复杂的多电子多质子转移过程，催化电极显著影响其转化率、产物选择性和催化稳定性。目前，合成用于电催化硝酸根还原为氨的催化电极的相关技术已有报道，专利CN 105198046公开了一种以氧化石墨烯辅助制作的Ti-石墨烯催化电极，当初始硝酸根浓度为50 mg N/L时，反应1 h去除率为41.8%，硝酸根去除效率低下；专利CN 114369841公开了一种利用泡沫钴和草酸为原料，原位生长制备的钴纳米线电极，用于电催化还原硝酸根制氨，反应6 h，硝酸根去除率为84.1%，氨生成率为77.7%，未能实现硝酸根的深度去除与氨的高效定向转化；专利CN 112206797公开了一种基于硫酸铜和Ti₃C₂T_xMXene为原料制备的Cu(I)@Ti₃C₂T_x MXene催化剂，6 h将77.1%的硝酸根转换为氨，且随电极循环使用次数的增加，氨转化率逐渐降低，严重影响催化剂的进一步实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具优异的硝酸根去除效果、氨生成率和循环稳定性的钴基催化电极及其制备方法，用于高效电催化还原硝酸根为氨。

根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种电催化还原硝酸根为氨的钴基催化电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将NH₄Cl、CoCl₂·6H₂O、NH₄H₂PO₄和NH₃·H₂O四种溶液混合，充分搅拌后过滤，烘干得到紫红色沉淀；

步骤二：将步骤一中所得的紫红色沉淀热解，得到蓝色前驱体；

步骤三：将步骤二中所得的前驱体与纳米碳颗粒混合后，加入到含粘结剂的醇溶液中，超声均匀后，涂覆于电极基底上制备前驱体电极；

步骤四：将步骤三中所制的前驱体电极在还原电位下处理，得到钴基催化电极。

作为优选，步骤二中的热解气氛为空气、氩气、氦气或氮气中的一种或几种混合，热解温度为250 ~ 550℃，热解时间为0.5 ~ 5小时。

作为优选，步骤三中前驱体与纳米碳颗粒的质量比为1:10 ~ 1:0，粘结剂为全氟磺酸树脂、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种或几种组合，前驱体的负载量为0.1 ~ 5 mg/cm²。

作为优选，步骤三中电极基底为泡沫镍、泡沫钛、泡沫铜、泡沫钴、镍网、钛网、铜网、钴网、碳纸、碳毡、玻碳中的一种；涂覆技术为滴涂、喷涂、溅射、刷涂中的一种。

作为优选，步骤四中还原电位为-1 ~ -2 V（相对于氯化钾饱和的Ag/AgCl参比电极），处理时间为10 ~ 120 min。

作为优选，步骤四中使用三电极体系，对电极为石墨碳棒电极、铂电极、金电极、钌电极、钛电极中的一种或几种金属的组合电极，对电极与工作电极的距离为0.5 ~ 10 cm。