本发明属于电催化,具体涉及一种碳布负载ni基mof材料ni-pmda电极的制备方法及其在电化学合成尿素中的应用。
背景技术:
1、1828年,维勒人工合成了尿素,打破了有机化合物的生命力学说。在农业领域,尿素作为一种氮基肥料,促进了粮食增产,保证人类粮食供应;在工业领域,尿素是脲醛树脂、聚氨酯、化妆品等多种化学品的生产原料。传统的尿素合成方法是通过传统haber-bosch工艺合成氨,再进一步生成尿素等含氮化学品,该合成方法需高温(350℃)高压(10mpa)环境,能源消耗大,排放出的co2危害大,废水废气处理成本高。目前全球尿素年产量超过1.8亿吨,占全球能源消耗量的1%,每年排放co2废气超过两亿吨,亟待寻找节能高效的尿素合成方法。
2、利用含氮废物(硝酸盐、腈、氮氧化物)与co2进行电催化c-n耦合生产尿素是近年来广受关注的尿素合成新方法,在富含no3-1的液体中通入co2,并施加适当的过电位,在电催化剂作用下一步法合成尿素,相比于传统工业方法,该法具有能耗低、操作简单、清洁环保等优势。实现尿素高效产出的关键是开发催化活性高、选择性好、寿命长的电催化剂。金属有机框架材料(mof)是一种新兴功能材料,具有金属催化特性和有机配体框架构型两方面的优势,在电合成尿素领域广受关注,其中ni金属mof催化剂以廉价高效优势广泛应用于电催化合成尿素。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种原料易得、制备方法简单、催化效率高且选择性好的碳布负载ni基mof材料ni-pmda电极的制备方法及其在电化学合成尿素中的应用。
2、本发明采用的技术方案是:
3、一种碳布负载ni基mof材料ni-pmda电极,所述碳布负载ni基mof材料是以ni(no3)2·6h2o中的ni金属为中心原子,以分散液中的pmda为配体。
4、一种碳布负载ni基mof材料ni-pmda电极的制备方法,包括如下步骤:
5、1)准确称量ni(no3)2·6h2o固体和pmda固体,分别溶于thf中,得到金属盐溶液和pmda溶液,随后用胶头滴管将pmda溶液滴加至金属盐溶液中,并不断搅拌,将混合后的溶液超声分散,转移至特氟龙高压反应器中,水热反应后冷却至室温,取出反应釜内的液体,抽滤、干燥、研磨成粉末,即为ni基mof材料粉末;
6、2)将得到的ni基mof材料粉末与膜溶液、2-炔黑、异丙醇、超纯水混合配制成油墨,使用注射器将油墨滴加于碳布上,得到ni-pmda电极。
7、进一步的,上述的制备方法,步骤1)中,ni(no3)2·6h2o的用量为0.16mmol,溶解于30ml thf;pmda的用量为0.6mmol,溶解于10ml thf。
8、进一步的,上述的制备方法,步骤1)中,所述超声分散时间为10min。
9、进一步的,上述的制备方法,步骤1)中,所述水热反应温度为120℃,反应时间为48h。
10、进一步的,上述的制备方法,步骤2)中,所述ni基mof材料粉末、膜溶液、2-炔黑、异丙醇、超纯水的用量分别为3mg、30μl、3mg、170μl、200μl。
11、进一步的,上述的制备方法,步骤2)中,所述碳布的规格为1cm×2cm大小的长方形。
12、进一步的,上述的制备方法,步骤2)中,所述碳布在使用前依次分别用丙酮、无水乙醇、浓硝酸、无水乙醇、丙酮进行浸渍超声处理30min。
13、上述的一种碳布负载ni基mof材料ni-pmda电极在电化学合成尿素中的应用。
14、进一步的,上述的应用,方法如下:将碳布负载ni基mof材料ni-pmda电极作为工作电极阴极,阳极为铂片电极,参比电极使用ag/agcl参比电极,阴极电解液使用0.1m kno3溶液和0.1m khco3溶液各35ml,阳极电解液使用0.1m khco3溶液70ml,在-0.3~0.7v v.s.rhe电位下电解2h,收集阴极电解液产物。
15、本发明的有益效果是:
16、1、本发明利用溶剂热策略合成催化剂粉末并配制成油墨,使用碳布负载催化剂,原料简单易得,合成操作难度低。
17、2、本发明所合成的催化电极用于电化学合成尿素,在-0.4v v.s.rhe下达到最高29.31%的法拉第效率,在-0.6v v.s.rhe下达到最高2.703mmol h-1mg-1的尿素产率。
18、3、本发明所合成催化电极在-0.4v v.s.rhe下连续电解15h,电流密度稳定在0.5ma cm-2,表现出较好的电催化活性和稳定性,本发明所得的mof催化电极在电催化合成尿素领域具有良好的应用前景。
1.一种碳布负载ni基mof材料ni-pmda电极,其特征在于,所述碳布负载ni基mof材料是以ni(no3)2·6h2o中的ni金属为中心原子,以分散液中的pmda为配体。
2.一种碳布负载ni基mof材料ni-pmda电极的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中,ni(no3)2·6h2o的用量为0.16mmol,溶解于30ml thf;pmda的用量为0.6mmol,溶解于10ml thf。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中,所述超声分散时间为10min。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中,所述水热反应温度为120℃,反应时间为48h。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述ni基mof材料粉末、膜溶液、2-炔黑、异丙醇、超纯水的用量分别为3mg、30μl、3mg、170μl、200μl。
7.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述碳布的规格为1cm×2cm大小的长方形。
8.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述碳布在使用前依次分别用丙酮、无水乙醇、浓硝酸、无水乙醇、丙酮进行浸渍超声处理30min。
9.权利要求1所述的一种碳布负载ni基mof材料ni-pmda电极在电化学合成尿素中的应用。
10.根据权利9所述的应用,其特征在于,方法如下:将碳布负载ni基mof材料ni-pmda电极作为工作电极阴极,阳极为铂片电极,参比电极使用ag/agcl参比电极,阴极电解液使用0.1m kno3溶液和0.1m khco3溶液各35ml,阳极电解液使用0.1m khco3溶液70ml,在-0.3~0.7v v.s.rhe电位下电解2h,收集阴极电解液产物。