[發明專利]一種電催化還原硝酸鹽的催化劑及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202011032642.1
• 申請日: 2020-09-27
• 公開（公告）號: CN112237927A
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 周鳳玲;孫成華;李勤干
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院
• 主分類號: B01J23/89
• 分類號: B01J23/89;B01J37/08;B01J37/14;B01J37/34;C25B1/27;C25B11/031;C25B11/061;C25B11/053;C25B11/091;C23C8/12;C25D3/50;C02F1/461;C02F101/16
• 代理公司: 東莞恒成知識產權代理事務所(普通合伙) 44412
• 代理人: 鄧燕

本發明涉及催化劑制備技術領域，特別是涉及一種電催化還原硝酸鹽的催化劑制備方法，包括如下步驟：以泡沫鎳為襯底，在泡沫鎳的表面形成鎳氧化層，得到復合物；采用三氯化釕溶液，對復合物采用電化學循環伏安法沉積釕納米顆粒，得到Ni?Ru復合催化劑。本發明提供一種電催化還原硝酸鹽的催化劑制備方法，制備方法過程簡單，催化劑負載Ru量低，催化劑成本低；本發明還提供一種電催化還原硝酸鹽的催化劑的應用，在寬電壓范圍內具有更高的電流密度、電流法拉第效率和合成氨消除硝酸根速率。

技術領域

本發明涉及催化劑制備技術領域，特別是涉及一種電催化還原硝酸鹽的催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

在工業生產過程中，大多數行業都會直接或間接產生硝酸鹽，例如：食品類、燃料煉油等工廠排出的氨類廢棄物，經生物、化學轉化后形成硝酸鹽；火力發電廠、汽車、輪船等在燃燒過程產生的大量氮氧化物，經降水淋溶形成硝酸鹽；人工化肥中富含的硝酸銨、硝酸鈣、硝酸鉀、硝酸鈉和紡織業燃料中富含的尿素等；電鍍行業酸洗、退鍍、浸蝕等過程產生的硝酸。硝酸鹽極易溶于水，且較為穩定，不易形成共沉淀和吸附，因此，常規水處理技術并不適宜去除硝酸鹽。

常規除硝酸鹽主要有反滲透法，電滲析法，離子交換法，催化脫氮法，化學脫氮法和生物脫氮法。反滲透法，電滲析法，離子交換法存在成本高的問題，生物脫氮法存在效率低的問題。而通過電化學方法，在催化作用下，將硝酸還原轉化為氨，不僅能夠除去硝酸，并且還能夠生成有價值的氨。現有電化學催化還原硝酸合成氨的研究中，性能最高的是Ru基催化劑。其制備方法首先通過改良的溶膠凝膠方法制備無定型的氯氧化釕，然后用滴定方法滴在碳紙襯底上，再通過電化學還原將氯氧化釕還原，最后在在H₂氣氛中熱處理6h。可以看出，該方法存在著制備工序繁瑣的問題。并且由于催化劑采用滴加方法，催化劑與碳紙的結合力差，催化劑長時間運行是會出現穩定性不夠的問題。此外，由于采用碳紙襯底，襯底電導率不高，還存在著電流收集效果較差，無法長時間在大電流下反應的問題。(JournaloftheAmericanChemicalSociety，2020.142(15):p.7036-7046.)。其他催化劑還包括有Cu基、Ti基和Co基催化劑，但是催化性能都較Ru低。此外，由于Ru屬于貴金屬，還存在催化劑成本高的問題。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供一種電催化還原硝酸鹽的催化劑制備方法，制備方法過程簡單，催化劑負載Ru量低，催化劑成本低。

本發明還提供一種電催化還原硝酸鹽的催化劑的應用，在寬電壓范圍內具有更高的電流密度、電流法拉第效率和合成氨消除硝酸根速率。

本發明采用如下技術方案：

一種電催化還原硝酸鹽的催化劑制備方法，包括如下步驟：

以泡沫鎳為襯底，在泡沫鎳的表面形成鎳氧化層，得到復合物；

采用三氯化釕溶液，對復合物采用電化學循環伏安法沉積釕納米顆粒，得到Ni-Ru復合催化劑。

對上述技術方案的進一步改進為，在所述以泡沫鎳為襯底，在泡沫鎳的表面形成鎳氧化層，得到復合物的步驟中，所述鎳氧化層通過對所述泡沫鎳表面空氣中進行熱處理獲得。

對上述技術方案的進一步改進為，所述熱處理的溫度為室溫～700℃，所述熱處理的氣氛為空氣氣氛。

對上述技術方案的進一步改進為，所述三氯化釕的含量為0.01～5g/L，pH范圍為0～14。

對上述技術方案的進一步改進為，在所述采用三氯化釕溶液，對復合物采用電化學循環伏安法沉積釕納米顆粒，得到Ni-Ru復合催化劑的步驟中，所述電化學循環伏安法包括如下步驟：

采用三電極電化學體系，以具有鎳氧化層的泡沫鎳作為工作電極，在工作電極上采用循環伏安掃描。