Cu(I)@Ti3C2TxMXene催化材料及电极与在硝酸根还原中的应用

摘要

本发明公开了Cu(I)@Ti3C2Tx MXene催化材料及电极的制备方法及其在硝酸根还原氨中的应用，将硫酸铜加入Ti3C2Tx MXene溶液中，混合后洗涤离心，再除上清，得到Cu(I)@Ti3C2Tx MXene催化材料；再将Cu(I)@Ti3C2Tx MXene催化材料刷涂在碳布上，干燥得到硝酸根还原氨用催化电极。与已有的研究相比，本发明中制备的Cu(I)@Ti3C2Tx MXene催化材料具有很好的硝酸根转化率、优良的氨选择性、极低的亚硝酸根产生。

说明书

技术领域

本发明属于催化材料技术领域，涉及Ti

背景技术

硝酸盐是一种常见的地下水污染物，硝酸盐在自然界中可以通过微生物作用还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐可以引发癌症，对人类的健康造成威胁。此外，工业上主要通过Haber–Bosch法在高温高压条件下合成氨，氨的合成直接推动着全球粮食的产量，对人类的生产、生活等方面有着至关重要的作用。然而，Haber–Bosch其年均能耗占到世界能源总耗的1~2%，它所产生的CO

近年来，随着电催化还原硝酸盐的逐渐发展，硝酸盐还原氨也取得了一些成果。然而，硝酸根的还原仍然存在着氨转化率低、选择性差和副产物亚硝酸根浓度偏高等问题，因此亟需寻找新型的催化剂来解决硝酸根还原氨的过程种的诸多问题。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的旨在提供硫酸铜和Ti

本发明的目的旨在提供硫酸铜和Ti

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

Cu(I)@Ti

硝酸根还原氨用催化电极，包括Cu(I)@Ti

具体的，将硫酸铜加入Ti

Cu(I)@Ti

本发明中，硫酸铜和Ti

本发明中，将市售Ti

本发明将Cu(I)@Ti

与现有的技术相比，利用上述技术方案的本发明具有如下优点：

（1）本发明使用了新型的二维材料，探索了其在电催化领域的性能，制备了一系列电催化器件，制备方法简单、易于操作；

（2）与已有的研究相比，本发明中制备的Cu(I)@Ti

（3）本发明所使用的制备Cu(I)@Ti

附图说明

图1为Cu(I)@Ti

图2为Cu(I)@Ti

图3为Cu(I)@Ti

图4为Cu(I)@Ti

图5为Cu(I)@Ti

图6为MXene、Cu(I)@Ti

图7为Cu(I)@Ti

图8为Cu(I)@Ti

图9为Cu(I)@Ti

图10为不同氮浓度下的Cu(I)@Ti

图11为不同催化剂的相关性能对比图。

具体实施方式

本发明得到的Cu(I)@Ti

下文将结合附图和具体实例来进一步说明本发明的技术方案。除非另有说明，下列实施例中所用的试剂、材料、仪器均可通过商业手段获得；所涉及的具体操作方法以及测试方法都为常规技术。

本发明中，所使用的电极基底是碳布，碳布在使用之前先用氧等离子体处理15min，碳布基底的尺寸为1×1 cm

实施例一

室温下，量取0.5 mg/ml的Ti

室温下，将10 mL硫酸铜水溶液通过微量注射器滴入上述Ti

实施例二

硝酸根还原氨用催化电极通过刷涂的方式制备。首先，把200μL Nafion溶液（充当粘结剂作用，市售产品）加入到实施例一中得到的的沉淀之中，混合后，通过常规刷涂的方式把上述混合均匀的浆液平均刷涂到两块1×1 cm

测试例

硝酸根还原氨用催化电极通过电化学工作站进行测试（型号CorrTest CS310）。测试之前，把工作电极与碳布相连（即硝酸根还原氨用催化电极），对电极连接铂片，以甘汞电极作为参比电极。待组装完毕，待组装完毕，以0.5 mol/L的硫酸钠为电解液，50~400 mg/L 氮浓度的硝酸盐为电解物，测试线性伏安扫描曲线，扫描电势范围-0.1~-1.8V，恒电压扫描曲线，电压范围-1.5~-1.9V（相对于甘汞电极）。

实验中氨、硝酸根、亚硝酸根的浓度检测都是通过紫外分光光度法进行测试定量的。硝酸根的转化率计算方法如方程（1）：

其中c

对氨的选择性计算方法如方程（2）：

其中C

氨气的产率计算方法如方程（3）：

其中，c是反应之后测试的氨的浓度（mg/L），V是电解液体积（L），S是电极面积（cm

结果分析

分别表征了Ti

对制备的硝酸根还原氨用催化电极通过CorrTest CS310电化学工作站实施了性能测试。由线性伏安扫描（图7，测试电压：-0.1~-1.8 V）结果可知，在加入硝酸根之后，电流水平明显增加，这表明硝酸根在电极上被还原。硝酸根的转化率对硝酸根的还原优为重要，图8（测试电压： -1.8 V）的测试结果表明，硝酸根的转化率高达81.9%，氨选择性高达94.1%，而副产物亚硝酸根的产量仅仅只有1.7%，除此之外，Cu(I)@Ti

上述实施例中，除了图10之外，其余附图都以100 mg/L 硝酸盐氮为电解物；循环测试时，进行1次100 mg/L的硝酸根的电解实验之后，把反应之后的溶液倒出，重新加入新鲜的100 mg/L的原液继续反应，测试电压为-1.8 V，进行6次仍维持极好的选择性和产氨速率。

CuCl@MXene电极制备：将实施例一中的硫酸铜更换为氯化亚铜（浓度为Cu/Ti物质的量比：10%），其余不变，得到CuCl@Ti

MXene电极制备：取实施例一中的Ti

综上所述，本发明主要制备了硫酸铜和Ti